Wetenschappers hebben ontdekt dat het transport van elektronische lading in een metalen supergeleider die strontium bevat, ruthenium, en zuurstof breekt de rotatiesymmetrie van het onderliggende kristalrooster. Het strontiumruthenaatkristal heeft een viervoudige rotatiesymmetrie als een vierkant, wat betekent dat het er identiek uitziet wanneer het 90 graden wordt gedraaid (vier keer om een ​​volledige rotatie van 360 graden te evenaren). Echter, de elektrische weerstand heeft een tweevoudige (180 graden) rotatiesymmetrie zoals een rechthoek.

Deze 'elektronische nematiciteit', waarvan de ontdekking wordt gerapporteerd in een artikel dat op 4 mei in de Proceedings van de National Academy of Sciences —kan de 'onconventionele' supergeleiding van het materiaal bevorderen. Voor onconventionele supergeleiders, standaardtheorieën over metaalgeleiding zijn ontoereikend om uit te leggen hoe ze bij afkoeling elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand (d.w.z. energie verliezen aan warmte). Als wetenschappers een geschikte theorie kunnen bedenken, ze kunnen mogelijk supergeleiders ontwerpen die geen dure koeling nodig hebben om hun bijna perfecte energie-efficiëntie te bereiken.

"We stellen ons een metaal voor als een solide raamwerk van atomen, waardoor elektronen stromen als een gas of vloeistof, " zei corresponderende auteur Ivan Bozovic, een senior wetenschapper en de leider van de Oxide Molecular Beam Epitaxy Group in de Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en een adjunct-professor in de Department of Chemistry aan de Yale. "Gassen en vloeistoffen zijn isotroop, wat betekent dat hun eigenschappen in alle richtingen uniform zijn. Hetzelfde geldt voor elektronengassen of vloeistoffen in gewone metalen zoals koper of aluminium. Maar in het laatste decennium we hebben geleerd dat deze isotropie niet lijkt op te gaan in sommige meer exotische metalen."

Wetenschappers hebben eerder symmetrie-brekende elektronische nematiciteit waargenomen in andere onconventionele supergeleiders. in 2017, Bozovic en zijn team ontdekten het fenomeen in een metaalverbinding die lanthaan bevat, strontium, koper, en zuurstof (LSCO), die supergeleidend wordt bij relatief hogere (maar nog steeds ultrakoude) temperaturen in vergelijking met tegenhangers bij lage temperaturen zoals strontiumruthenaat. Het LSCO-kristalrooster heeft ook vierkante symmetrie, met twee gelijke periodiciteiten, of rangschikkingen van atomen, in verticale en horizontale richting. Maar de elektronen gehoorzamen niet aan deze symmetrie; de elektrische weerstand is hoger in één richting, niet uitgelijnd met de kristalassen.

"We zien dit soort gedrag in vloeibare kristallen, die het licht in tv's en andere schermen polariseren, " zei Bozovic. "Vloeibare kristallen stromen als vloeistoffen, maar oriënteren zich in een voorkeursrichting zoals vaste stoffen omdat de moleculen een langwerpige staafachtige vorm hebben. Deze vorm beperkt de rotatie door de moleculen wanneer ze dicht bij elkaar zijn gepakt. Vloeistoffen zijn typisch symmetrisch met betrekking tot elke rotatie, maar vloeibare kristallen breken zo'n rotatiesymmetrie, met hun eigenschappen verschillend in de parallelle en loodrechte richtingen. Dit is wat we zagen in LSCO:de elektronen gedragen zich als een elektronisch vloeibaar kristal."

Met deze verrassende ontdekking de wetenschappers vroegen zich af of elektronische nematiciteit bestond in andere onconventionele supergeleiders. Om te beginnen met het beantwoorden van deze vraag, ze besloten zich te concentreren op strontiumruthenaat, die dezelfde kristalstructuur heeft als LSCO en sterk op elkaar inwerkende elektronen.

Aan het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science, Darrell Schlom, Kyle Shen, en hun medewerkers groeiden éénkristal dunne films van strontiumruthenaat, één atoomlaag per keer, op vierkante substraten en rechthoekige, waardoor de films in één richting werden verlengd. Deze films moeten extreem uniform zijn in dikte en samenstelling - met in de orde van één onzuiverheid per biljoen atomen - om supergeleidend te worden.

Om te verifiëren dat de kristalperiodiciteit van de films dezelfde was als die van de onderliggende substraten, de Brookhaven Lab-wetenschappers voerden röntgendiffractie-experimenten met hoge resolutie uit.

"Röntgendiffractie stelt ons in staat om de roosterperiodiciteit van zowel de films als de substraten in verschillende richtingen nauwkeurig te meten, " zei co-auteur en CMPMS Division X-ray Scattering Group Leader Ian Robinson, die de metingen heeft gedaan. "Om te bepalen of de roostervervorming een rol speelt bij nematiciteit, we moesten eerst weten of er sprake is van vervorming en hoeveel."

De groep van Bozovic vormde vervolgens de millimetergrote films in een "zonnestraal" -configuratie met 36 lijnen radiaal gerangschikt in stappen van 10 graden. Ze voerden elektrische stroom door deze lijnen - die elk drie paar spanningscontacten bevatten - en maten de spanningen verticaal langs de lijnen (longitudinale richting) en horizontaal erover (dwarsrichting). Deze metingen werden verzameld over een reeks van temperaturen, het genereren van duizenden gegevensbestanden per dunne film.

Vergeleken met de longitudinale spanning, de dwarsspanning is 100 keer gevoeliger voor nematiciteit. Als de stroom vloeit zonder voorkeursrichting, de dwarsspanning moet in elke hoek nul zijn. Dat was niet het geval, wat aangeeft dat strontiumruthenaat elektronisch nematisch is - 10 keer meer dan LSCO. Nog verrassender was dat de films die op zowel vierkante als rechthoekige substraten werden gekweekt, dezelfde mate van nematiciteit hadden - het relatieve verschil in soortelijke weerstand tussen twee richtingen - ondanks de roostervervorming veroorzaakt door het rechthoekige substraat. Het uitrekken van het rooster had alleen invloed op de nematiciteitsoriëntatie, met de richting van de hoogste geleidbaarheid langs de korte zijde van de rechthoek. Nematiciteit is al aanwezig in beide films bij kamertemperatuur en neemt aanzienlijk toe naarmate de films worden afgekoeld tot de supergeleidende toestand.

"Onze waarnemingen wijzen op een puur elektronische oorsprong van nematiciteit, "zei Bozovic. "Hier, interacties tussen elektronen die tegen elkaar botsen lijken een veel sterkere bijdrage te leveren aan de elektrische weerstand dan elektronen die interageren met het kristalrooster, zoals ze doen in conventionele metalen."

Vooruit gaan, het team zal doorgaan met het testen van hun hypothese dat elektronische nematiciteit bestaat in alle niet-conventionele supergeleiders.

"De synergie tussen de twee CMPMS Division-groepen in Brookhaven was van cruciaal belang voor dit onderzoek, " zei Bozovic. "We zullen onze complementaire expertise toepassen, technieken, en apparatuur in toekomstige studies op zoek naar handtekeningen van elektronische nematiciteit in andere materialen met sterk interagerende elektronen."