Gli scienziati hanno modellato film sottili di rutenato di stronzio, un superconduttore metallico contenente stronzio, rutenio, e ossigeno, nella configurazione "raggio di sole" vista sopra. Hanno disposto un totale di 36 linee radialmente con incrementi di 10 gradi per coprire l'intero intervallo da 0 a 360 gradi. Su ogni barra, la corrente elettrica scorre da I+ a I-. Hanno misurato le tensioni verticalmente lungo le linee (tra i contatti dorati 1-3, 2-4, 3-5, e 4-6) e orizzontalmente tra di loro (1-2, 3-4, 5-6). Le loro misurazioni hanno rivelato che gli elettroni nel rutenato di stronzio fluiscono in una direzione preferita inaspettata dalla struttura del reticolo cristallino. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati hanno scoperto che il trasporto di carica elettronica in un superconduttore metallico contenente stronzio, rutenio, e l'ossigeno rompe la simmetria rotazionale del reticolo cristallino sottostante. Il cristallo di rutenato di stronzio ha una simmetria rotazionale quadrupla come un quadrato, il che significa che sembra identico quando viene ruotato di 90 gradi (quattro volte per eguagliare una rotazione completa di 360 gradi). Però, la resistività elettrica ha una doppia simmetria rotazionale (180 gradi) come un rettangolo.
Questa "nematicità elettronica", la cui scoperta è riportata in un articolo pubblicato il 4 maggio su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze —può promuovere la superconduttività "non convenzionale" del materiale. Per i superconduttori non convenzionali, le teorie standard della conduzione metallica sono inadeguate a spiegare come dopo il raffreddamento possono condurre elettricità senza resistenza (cioè, perdere energia in calore). Se gli scienziati possono elaborare una teoria appropriata, potrebbero essere in grado di progettare superconduttori che non richiedono un costoso raffreddamento per raggiungere la loro efficienza energetica quasi perfetta.
"Immaginiamo un metallo come una solida struttura di atomi, attraverso il quale gli elettroni fluiscono come un gas o un liquido, " ha detto l'autore corrispondente Ivan Bozovic, uno scienziato senior e il leader dell'Oxide Molecular Beam Epitaxy Group nella divisione di fisica e scienza dei materiali condensati (CMPMS) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) e professore a contratto presso il Dipartimento di chimica di Yale. "Gas e liquidi sono isotropi, il che significa che le loro proprietà sono uniformi in tutte le direzioni. Lo stesso vale per i gas di elettroni oi liquidi in metalli ordinari come il rame o l'alluminio. Ma nell'ultimo decennio, abbiamo appreso che questa isotropia non sembra reggere in alcuni metalli più esotici".
Gli scienziati hanno precedentemente osservato la nematicità elettronica che rompe la simmetria in altri superconduttori non convenzionali. Nel 2017, Bozovic e il suo team hanno rilevato il fenomeno in un composto metallico contenente lantanio, stronzio, rame, e ossigeno (LSCO), che diventa superconduttore a temperature relativamente più alte (ma ancora ultrafredde) rispetto alle controparti a bassa temperatura come il rutenato di stronzio. Il reticolo cristallino LSCO ha anche simmetria quadrata, con due periodicità uguali, o disposizioni di atomi, nelle direzioni verticale e orizzontale. Ma gli elettroni non obbediscono a questa simmetria; la resistività elettrica è maggiore in una direzione non allineata con gli assi del cristallo.
"Vediamo questo tipo di comportamento nei cristalli liquidi, che polarizzano la luce in TV e altri display, " ha detto Bozovic. "I cristalli liquidi scorrono come i liquidi ma si orientano in una direzione preferita come i solidi perché le molecole hanno una forma allungata a bastoncino. Questa forma limita la rotazione delle molecole quando sono imballate vicine tra loro. I liquidi sono tipicamente simmetrici rispetto a qualsiasi rotazione, ma i cristalli liquidi rompono tale simmetria rotazionale, con proprietà diverse nelle direzioni parallela e perpendicolare. Questo è ciò che abbiamo visto in LSCO:gli elettroni si comportano come un cristallo liquido elettronico".
Con questa sorprendente scoperta, gli scienziati si sono chiesti se la nematicità elettronica esistesse in altri superconduttori non convenzionali. Per iniziare a rispondere a questa domanda, decisero di concentrarsi sul rutenato di stronzio, che ha la stessa struttura cristallina di LSCO ed elettroni fortemente interagenti.
Al Kavli Institute della Cornell for Nanoscale Science, Darrell Schlom, Kyle Shen, e i loro collaboratori hanno coltivato film sottili monocristallini di stronzio rutenato uno strato atomico alla volta su substrati quadrati e rettangolari, che allungava i film in una direzione. Questi film devono essere estremamente uniformi in spessore e composizione, avendo nell'ordine una impurezza per trilione di atomi, per diventare superconduttori.
La struttura cristallina del rutenato di stronzio, che è costituito da rutenio (rosso), stronzio (blu), e ossigeno (verde). Credito:Brookhaven National Laboratory
Per verificare che la periodicità cristallina dei film fosse uguale a quella dei substrati sottostanti, gli scienziati del Brookhaven Lab hanno eseguito esperimenti di diffrazione dei raggi X ad alta risoluzione.
"La diffrazione dei raggi X ci consente di misurare con precisione la periodicità reticolare sia dei film che dei substrati in direzioni diverse, " ha affermato Ian Robinson, coautore e leader del gruppo di diffusione dei raggi X della divisione CMPMS, chi ha effettuato le misurazioni. "Per determinare se la distorsione reticolare gioca un ruolo nella nematicità, prima dovevamo sapere se c'è qualche distorsione e di quanta."
Il gruppo di Bozovic ha quindi modellato i film di dimensioni millimetriche in una configurazione a "raggio di sole" con 36 linee disposte radialmente con incrementi di 10 gradi. Passavano la corrente elettrica attraverso queste linee, ognuna delle quali conteneva tre coppie di contatti di tensione, e misuravano le tensioni verticalmente lungo le linee (direzione longitudinale) e orizzontalmente attraverso di esse (direzione trasversale). Queste misurazioni sono state raccolte su un intervallo di temperature, generando migliaia di file di dati per film sottile.
Rispetto alla tensione longitudinale, la tensione trasversale è 100 volte più sensibile alla nematicità. Se la corrente scorre senza una direzione preferita, la tensione trasversale dovrebbe essere zero ad ogni angolo. Non era il caso, indicando che il rutenato di stronzio è elettronicamente nematico, 10 volte di più rispetto a LSCO. Ancora più sorprendente era che i film cresciuti su entrambi i substrati quadrati e rettangolari avevano la stessa grandezza di nematicità - la differenza relativa nella resistività tra due direzioni - nonostante la distorsione reticolare causata dal substrato rettangolare. L'allungamento del reticolo ha influenzato solo l'orientamento della nematicità, con la direzione di massima conduttività che corre lungo il lato più corto del rettangolo. La nematicità è già presente in entrambi i film a temperatura ambiente e aumenta significativamente man mano che i film vengono raffreddati allo stato superconduttore.
"Le nostre osservazioni indicano un'origine puramente elettronica della nematicità, " disse Bozovic. "Ecco, le interazioni tra gli elettroni che si scontrano sembrano avere un contributo molto più forte alla resistività elettrica rispetto agli elettroni che interagiscono con il reticolo cristallino, come fanno nei metalli convenzionali."
Andando avanti, il team continuerà a testare la loro ipotesi che la nematicità elettronica esista in tutti i superconduttori non convenzionali.
"La sinergia tra i due gruppi della Divisione CMPMS a Brookhaven è stata fondamentale per questa ricerca, " ha detto Bozovic. "Applicheremo le nostre competenze complementari, tecniche, e apparecchiature in studi futuri alla ricerca di firme di nematicità elettronica in altri materiali con elettroni fortemente interagenti".
