Los científicos han descubierto que el transporte de carga electrónica en un superconductor metálico que contiene estroncio, rutenio, y el 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 cuando se gira 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 procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias —Puede promover la superconductividad "no convencional" del material. Para superconductores no convencionales, Las teorías estándar de conducción metálica son inadecuadas para explicar cómo al enfriarse pueden conducir electricidad sin resistencia (es decir, perdiendo energía para calentar). Si los científicos pueden llegar a una teoría adecuada, Es posible que puedan 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 del cual los electrones fluyen como un gas o un líquido, "dijo el autor correspondiente Ivan Bozovic, científico senior y líder del Grupo de Epitaxia de Rayos Moleculares de Óxidos en la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (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 ocurre con los 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 mantenerse en algunos metales más exóticos ".

Los científicos han observado previamente la 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 contenía lantano, estroncio, cobre, y oxígeno (LSCO), que se vuelve superconductor a temperaturas relativamente más altas (pero aún ultrafrías) en comparación con sus contrapartes de baja temperatura como el rutenato de estroncio. La celosía de cristal LSCO también tiene simetría cuadrada, con dos periodicidades iguales, o arreglos de átomos, en las direcciones vertical y horizontal. Pero los electrones no obedecen a esta simetría; la resistividad eléctrica es mayor en una dirección no alineada con los ejes del cristal.

"Vemos este tipo de comportamiento en los cristales líquidos, que polarizan la luz en 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 varilla. Esta forma restringe la rotación de las moléculas cuando se empaquetan muy 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 paralela y perpendicular. 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 LSCO y electrones que interactúan fuertemente.

En el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, Darrell Schlom, Kyle Shen, y sus colaboradores cultivaron películas delgadas de cristal único de rutenato de estroncio una capa atómica a la vez en sustratos cuadrados y rectangulares, que alargó las películas en una dirección. Estas películas tienen que ser extremadamente uniformes en grosor y composición (del orden de una impureza por trillón de átomos) para convertirse en superconductoras.

Para verificar que la periodicidad cristalina de las películas sea 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 hizo las medidas. "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 modeló las películas de tamaño milimétrico 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 midieron los voltajes verticalmente a lo largo de las líneas (dirección longitudinal) y horizontalmente a través de ellas (dirección transversal). Estas mediciones se recopilaron en un rango de temperaturas, generando miles de archivos de datos por película delgada.

Comparado con el voltaje longitudinal, el voltaje transversal es 100 veces más sensible a la nematicidad. Si la corriente fluye sin una dirección preferida, la tensión transversal debe ser cero en todos los ángulos. Ese no fue el caso lo que indica que el rutenato de estroncio es electrónicamente nemático, 10 veces más que el LSCO. Aún más sorprendente fue que las películas cultivadas 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 celosía causada por el sustrato rectangular. Estirar la celosía solo afectó la orientación de nematicidad, con la dirección de mayor conductividad 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 hasta el estado superconductor.

"Nuestras observaciones apuntan a un origen puramente electrónico de la nematicidad, "dijo Bozovic." Aquí, las interacciones entre 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 en los metales convencionales ".

Avanzando, el equipo continuará probando su hipótesis de que la nematicidad electrónica existe en todos los superconductores no convencionales.

"La sinergia entre los dos grupos de la División CMPMS en Brookhaven fue fundamental para esta investigación, ", dijo Bozovic." Aplicaremos nuestra experiencia complementaria, técnicas, y equipos en estudios futuros que busquen firmas de nematicidad electrónica en otros materiales con electrones que interactúan fuertemente ".