Sedan upptäckten för två decennier sedan av den okonventionella topologiska supraledaren Sr ₂ RuO ₄ , forskare har utförligt undersökt dess egenskaper vid temperaturer under dess 1°K kritiska temperatur (Tc), vid vilket en fasövergång från ett metall till supraledande tillstånd inträffar. Nu har experiment gjorts vid University of Illinois i Urbana-Champaign i laboratorierna Madhavan och Abbamonte, i samarbete med forskare vid sex institutioner i USA, Kanada, Storbritannien, och Japan, har kastat nytt ljus över de elektroniska egenskaperna hos detta material vid temperaturer 4°K över Tc. Teamets resultat kan belysa ännu olösta frågor om Sr ₂ RuO ₄ s framväxande egenskaper i supraledande tillstånd.

Vidya Madhavan, en fysikprofessor och medlem av Frederick Seitz Materials Research Lab vid U. of I., ledde experimentet. Hon förklarar, "Vi utgick från det utbredda antagandet att, i Sr ₂ RO ₄ s normala metalliska tillstånd över dess Tc, växelverkan mellan elektroner skulle vara tillräckligt svag, så att spektrumet av excitationer eller elektroniska tillstånd skulle vara väl definierat."

Madhavan fortsätter, "Dock, och detta är en stor överraskning, vårt team observerade stora interaktionseffekter i det normala metalliska tillståndet. Elektroner i metaller har väl definierat momentum och energi. I enkla metaller, vid låga temperaturer upptar elektronerna alla momentumtillstånd i ett område som begränsas av en 'Fermi-yta'. Här fann vi att elektronernas hastighet i vissa riktningar över Fermi-ytan minskade med cirka 50 procent, vilket inte förväntas. Vi såg liknande interaktionseffekter i staternas tunnlingstäthet. Detta är en betydande minskning, och det var en stor överraskning. Vi trodde att vi bara skulle hitta formen på Fermi-ytan, men istället, vi får dessa anomalier."

Eduardo Fradkin, en fysikprofessor och chef för Institute for Condensed Matter Theory vid U. of I., kommentarer, "De grundläggande elektroniska egenskaperna hos detta material har varit kända sedan en tid tillbaka. Forskare studerar detta material eftersom det ska vara ett enkelt system för att testa vetenskapliga effekter. Men materialet har också varit en källa till pågående debatt på området:det här är en p-våg supraledare, med spin-triplett-parning. Detta har antytt att det supraledande tillståndet kan vara topologiskt till sin natur. Att förstå hur detta system blir supraledande är en öppen och spännande fråga."

Genombrottet för att förstå de förbryllande egenskaperna hos materialets supraledande tillstånd kan ligga i detta anomala normala (icke-supraledande) tillstånd. I ett konventionellt normalt metalliskt tillstånd vid låg temperatur, de elektroniska tillstånden beter sig som väldefinierade kvasipartiklar, som beskrivs av Landau-Fermi vätsketeorin. Men forskarna hittade anomalier i partikelinteraktionerna vid 5°K som faktiskt kännetecknar Sr ₂ RuO ₄ som en "starkt korrelerad metall".

I experimentet, Madhavans team skickade elektroner in i materialet med hjälp av en elektronisk metallspets, mätte sedan den resulterande strömmen med två mycket avancerade och komplementära tekniker, Fouriertransformsscanning-tunnelspektroskopi och momentumupplöst elektronenergiförlustspektroskopi. I fyra datakörningar, forskarna fann en betydande förändring i sannolikheten för elektrontunnel nära nollenergi, jämfört med Fermi-vätskor.

"Vi blev förvånade över att se så mycket rik information, " delar Madhavan. "Vi började prata med Eduardo om teorin och med Peter Abbamonte om hans experiment. Abbamontes grupp, tillämpa tekniken för momentumupplöst elektronenergiförlustspektroskopi, finner också interaktioner med kollektiva lägen vid samma energier."

"Den öppna frågan nu, vi hittade något intressant vid 4°K ovanför den supraledande fasövergången. Vilken betydelse har detta för vad som händer under den supraledande temperaturen?" fortsätter Madhavan. Teamet planerar att fördjupa sig i den frågan härnäst:"När Vidya går till det supraledande tillståndet, vi kommer att veta mer, Fradkin bekräftar. "Dessa fynd kommer att göra det möjligt för henne att ta ett unikt tillvägagångssätt för att avslöja den supraledande ordningsparametern för detta material i kommande experiment."

Förhandspublicering av dessa resultat publicerades den 8 maj, 2017, i Naturfysik .