Los científicos han descubierto que el transporte de carga electrónica en un superconductor metálico que contiene estroncio, rutenio y oxígeno rompe la simetría rotacional de la red cristalina subyacente. El cristal de rutenato de estroncio tiene una simetría rotacional cuádruple como un cuadrado, lo que significa que se ve idéntico cuandogirado 90 grados cuatro veces para igualar una rotación completa de 360 grados. Sin embargo, la resistividad eléctrica tiene una simetría rotacional doble 180 grados como un rectángulo.
Esta "nematicidad electrónica" - cuyo descubrimiento se informa en un artículo publicado el 4 de mayo en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias - puede promover la superconductividad "no convencional" del material. Para los superconductores no convencionales, las teorías estándar de conducción metálica son inadecuadas para explicar cómo, al enfriarse, pueden conducir electricidad sin resistencia es decir, perder energía al calor. Si los científicos pueden llegar a una conclusiónSegún una teoría apropiada, pueden diseñar superconductores que no requieran un enfriamiento costoso para lograr su eficiencia energética casi perfecta.
"Imaginamos un metal como una estructura sólida de átomos, a través de la cual los electrones fluyen como un gas o líquido", dijo el autor correspondiente Ivan Bozovic, científico principal y líder del Grupo de Epitaxia del Haz Molecular de Óxidos en la Física de la Materia Condensada yDivisión de Ciencia de Materiales CMPMS en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE y profesor adjunto en el Departamento de Química de Yale. "Los gases y líquidos son isotrópicos, lo que significa que sus propiedades son uniformes en todas las direcciones. Lo mismo es ciertopara gases o líquidos de electrones en metales comunes como el cobre o el aluminio. Pero en la última década, hemos aprendido que esta isotropía no parece ser válida en algunos metales más exóticos ".
Los científicos han observado previamente una nematicidad electrónica que rompe la simetría en otros superconductores no convencionales. En 2017, Bozovic y su equipo detectaron el fenómeno en un compuesto metálico que contiene lantano, estroncio, cobre y oxígeno LSCO, que se convierte en superconductor a niveles relativamente más altos pero todavía ultrafríos en comparación con sus homólogos de baja temperatura como el rutenato de estroncio. La red cristalina LSCO también tiene simetría cuadrada, con dos periodicidades iguales, o disposiciones de átomos, en las direcciones vertical y horizontal. Pero los electrones no obedecen a esta simetría;la resistividad eléctrica es mayor en una dirección sin alinear con los ejes de cristal.
"Vemos este tipo de comportamiento en los cristales líquidos, que polarizan la luz en los televisores y otras pantallas", dijo Bozovic. "Los cristales líquidos fluyen como líquidos pero se orientan en una dirección preferida como los sólidos porque las moléculas tienen una forma alargada en forma de varillaEsta forma restringe la rotación de las moléculas cuando se empaquetan juntas. Los líquidos son típicamente simétricos con respecto a cualquier rotación, pero los cristales líquidos rompen tal simetría rotacional, con sus propiedades diferentes en las direcciones paralelas y perpendiculares. Esto es lo que vimos en LSCO -- los electrones se comportan como un cristal líquido electrónico "
Con este sorprendente descubrimiento, los científicos se preguntaron si existía nematicidad electrónica en otros superconductores no convencionales. Para comenzar a abordar esta pregunta, decidieron centrarse en el rutenato de estroncio, que tiene la misma estructura cristalina que el LSCO y los electrones que interactúan fuertemente.
En el Instituto Kavli de Cornell para Ciencia a Nanoescala, Darrell Schlom, Kyle Shen y sus colaboradores cultivaron películas delgadas de un solo cristal de estroncio rutenato, una capa atómica a la vez sobre sustratos cuadrados y rectangulares, que alargaron las películas en una direcciónEstas películas tienen que ser extremadamente uniformes en grosor y composición tener del orden de una impureza por billón de átomos para convertirse en superconductoras.
Para verificar que la periodicidad de los cristales de las películas fuera la misma que la de los sustratos subyacentes, los científicos de Brookhaven Lab realizaron experimentos de difracción de rayos X de alta resolución.
"La difracción de rayos X nos permite medir con precisión la periodicidad de la red tanto de las películas como de los sustratos en diferentes direcciones", dijo el coautor y líder del Grupo de dispersión de rayos X de la División CMPMS, Ian Robinson, quien realizó las mediciones ".para determinar si la distorsión de la red juega un papel en la nematicidad, primero necesitábamos saber si hay alguna distorsión y cuánto ".
El grupo de Bozovic luego diseñó las películas del tamaño de un milímetro en una configuración de "rayo de sol" con 36 líneas dispuestas radialmente en incrementos de 10 grados. Pasaron corriente eléctrica a través de estas líneas, cada una de las cuales contenía tres pares de contactos de voltaje y midieronlos voltajes verticalmente a lo largo de las líneas dirección longitudinal y horizontalmente a través de ellos dirección transversal. Estas mediciones se recopilaron en un rango de temperaturas, generando miles de archivos de datos por película delgada
En comparación con el voltaje longitudinal, el voltaje transversal es 100 veces más sensible a la nematicidad. Si la corriente fluye sin dirección preferida, el voltaje transversal debería ser cero en todos los ángulos. Ese no fue el caso, lo que indica que el rutenato de estroncio eselectrónicamente nemático, 10 veces más que LSCO. Aún más sorprendente fue que las películas que crecieron tanto en sustratos cuadrados como rectangulares tenían la misma magnitud de nematicidad, la diferencia relativa en resistividad entre dos direcciones, a pesar de la distorsión de la red causada por elsustrato rectangular. Estirar el enrejado solo afectó la orientación de la nematicidad, con la dirección de la conductividad más alta a lo largo del lado más corto del rectángulo. La nematicidad ya está presente en ambas películas a temperatura ambiente y aumenta significativamente a medida que las películas se enfrían al estado superconductor.
"Nuestras observaciones apuntan a un origen puramente electrónico de la nematicidad", dijo Bozovic. "Aquí, las interacciones entre los electrones que chocan entre sí parecen tener una contribución mucho más fuerte a la resistividad eléctrica que los electrones que interactúan con la red cristalina, como lo hacen enmetales convencionales "
En adelante, el equipo continuará probando su hipótesis de que existe nematicidad electrónica en todos los superconductores no convencionales.
"La sinergia entre los dos grupos de la División CMPMS en Brookhaven fue crítica para esta investigación", dijo Bozovic. "Aplicaremos nuestra experiencia, técnicas y equipos complementarios en futuros estudios en busca de firmas de nematicidad electrónica en otros materiales con interacción fuerteelectrones "
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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