Forskare har upptäckt att transporten av elektronisk laddning i en metallisk supraledare som innehåller strontium, rutenium, och syre bryter rotationssymmetrin hos det underliggande kristallgittret. Strontiumruthenatkristallen har fyrfaldig rotationssymmetri som en kvadrat, vilket betyder att den ser identisk ut när den vrids 90 grader (fyra gånger för att motsvara en fullständig 360-graders rotation). Dock, den elektriska resistiviteten har tvåfaldig (180-graders) rotationssymmetri som en rektangel.

Denna "elektroniska nematicitet" - vars upptäckt rapporteras i en tidning publicerad den 4 maj i Proceedings of the National Academy of Sciences —kan främja materialets "okonventionella" supraledning. För okonventionella supraledare, standardteorier om metallisk ledning är otillräckliga för att förklara hur de vid kylning kan leda elektricitet utan motstånd (dvs. förlora energi till värme). Om forskare kan komma med en lämplig teori, de kanske kan designa supraledare som inte kräver dyr kylning för att uppnå sin nästan perfekta energieffektivitet.

"Vi föreställer oss en metall som en solid ram av atomer, genom vilka elektroner strömmar som en gas eller vätska, " sa motsvarande författare Ivan Bozovic, en senior vetenskapsman och ledare för Oxide Molecular Beam Epitaxy Group i Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och en adjungerad professor vid Department of Chemistry vid Yale. "Gaser och vätskor är isotropa, vilket innebär att deras egenskaper är enhetliga i alla riktningar. Detsamma gäller för elektrongaser eller vätskor i vanliga metaller som koppar eller aluminium. Men under det senaste decenniet, vi har lärt oss att denna isotropi inte verkar hålla i vissa mer exotiska metaller."

Forskare har tidigare observerat symmetribrytande elektronisk nematicitet i andra okonventionella supraledare. Under 2017, Bozovic och hans team upptäckte fenomenet i en metallförening som innehåller lantan, strontium, koppar, och syre (LSCO), som blir supraledande vid relativt högre (men fortfarande ultrakalla) temperaturer jämfört med lågtemperaturmotsvarigheter som strontiumrutenat. LSCO kristallgittret har också kvadratsymmetri, med två lika periodiciteter, eller arrangemang av atomer, i vertikal och horisontell riktning. Men elektronerna lyder inte denna symmetri; den elektriska resistiviteten är högre i en riktning oinriktad med kristallaxlarna.

"Vi ser den här typen av beteende i flytande kristaller, som polariserar ljus i TV-apparater och andra skärmar, ", sade Bozovic. "Flytande kristaller flyter som vätskor men orienterar i en föredragen riktning som fasta ämnen eftersom molekylerna har en långsträckt stavliknande form. Denna form begränsar rotation av molekylerna när de packas nära varandra. Vätskor är vanligtvis symmetriska med avseende på varje rotation, men flytande kristaller bryter sådan rotationssymmetri, med sina egenskaper olika i parallella och vinkelräta riktningar. Det här är vad vi såg i LSCO - elektronerna beter sig som en elektronisk flytande kristall."

Med denna överraskande upptäckt, forskarna undrade om elektronisk nematicitet existerade i andra okonventionella supraledare. För att börja ta itu med denna fråga, de bestämde sig för att fokusera på strontiumrutenat, som har samma kristallstruktur som LSCO och starkt interagerande elektroner.

Vid Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, Darrell Schlom, Kyle Shen, och deras medarbetare odlade tunna enkristallfilmer av strontiumrutenat ett atomlager i taget på kvadratiska och rektangulära substrat, vilket förlängde filmerna i en riktning. Dessa filmer måste vara extremt enhetliga i tjocklek och sammansättning – i storleksordningen en förorening per biljon atomer – för att bli supraledande.

För att verifiera att filmernas kristallperiodicitet var densamma som för de underliggande substraten, forskarna från Brookhaven Lab utförde högupplösta röntgendiffraktionsexperiment.

"Röntgendiffraktion tillåter oss att exakt mäta gitterperiodiciteten för både filmerna och substraten i olika riktningar, " sa medförfattare och CMPMS Division X-ray Scattering Group Leader Ian Robinson, vem som gjorde mätningarna. "För att avgöra om gitterförvrängningen spelar en roll i nematiciteten, vi behövde först veta om det finns någon förvrängning och hur mycket."

Bozovics grupp mönstrade sedan de millimeterstora filmerna till en "solstråle"-konfiguration med 36 linjer anordnade radiellt i 10-graderssteg. De ledde elektrisk ström genom dessa linjer - som var och en innehöll tre par spänningskontakter - och mätte spänningarna vertikalt längs linjerna (längdriktningen) och horisontellt över dem (tvärriktningen). Dessa mätningar samlades in över ett intervall av temperaturer, genererar tusentals datafiler per tunn film.

Jämfört med den längsgående spänningen, tvärspänningen är 100 gånger känsligare för nematicitet. Om strömmen flyter utan någon föredragen riktning, tvärspänningen ska vara noll vid varje vinkel. Så var det inte, vilket indikerar att strontiumrutenat är elektroniskt nematiskt - 10 gånger mer än LSCO. Ännu mer överraskande var att filmerna som odlades på både kvadratiska och rektangulära substrat hade samma magnitud av nematicitet - den relativa skillnaden i resistivitet mellan två riktningar - trots gitterdistorsionen som orsakas av det rektangulära substratet. Sträckning av gittret påverkade bara nematicitetsorienteringen, med riktningen för högsta ledningsförmåga längs rektangelns kortare sida. Nematicitet finns redan i båda filmerna vid rumstemperatur och ökar avsevärt när filmerna kyls ner till supraledande tillstånd.

"Våra observationer pekar på ett rent elektroniskt ursprung för nematicitet, " sade Bozovic. "Här, interaktioner mellan elektroner som stöter in i varandra verkar ha ett mycket starkare bidrag till elektrisk resistivitet än elektroner som interagerar med kristallgittret, som de gör i konventionella metaller."

Går framåt, teamet kommer att fortsätta att testa sin hypotes att elektronisk nematicitet finns i alla icke-konventionella supraledare.

"Synergin mellan de två CMPMS-divisionsgrupperna i Brookhaven var avgörande för denna forskning, ", sa Bozovic. "Vi kommer att tillämpa vår kompletterande expertis, tekniker, och utrustning i framtida studier som letar efter signaturer för elektronisk nematicitet i andra material med starkt interagerande elektroner."