电子打破了异质低温超导体中的旋转对称性

科学家们发现,在含有锶、钌和氧的金属超导体中,电子电荷的传输会打破底层晶格的旋转对称性。钌酸锶晶体具有四倍的旋转对称性,就像一个正方形,也就是说,当它旋转90度(四次旋转等于完整的360度)时,看起来是一样的。然而,电子电阻率却像长方形一样具有二倍(180度)的旋转对称性。

5月4日发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上的一篇论文报道了这一发现,”电子线性”可能促进了该材料的 “非常规 “超导性。对于非常规超导体来说,标准的金属传导理论不足以解释它们在冷却后如何在没有电阻的情况下导电(即能量损失为热)。如果科学家们能想出一个合适的理论,他们或许就能设计出不需要昂贵的冷却就能达到近乎完美的能量效率的超导体

电子打破了异质低温超导体中的旋转对称性

“我们把金属想象成一个由原子组成的固体框架,电子像气体或液体一样通过它流动,”通讯作者Ivan Bozovic说,他是美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室凝聚态物质物理与材料科学(CMPMS)部门的高级科学家和氧化物分子束外延小组的负责人,也是耶鲁大学化学系的兼职教授。”气体和液体是各向同性的,这意味着它们的特性在所有方向上都是均匀的。铜或铝等普通金属中的电子气体或液体也是如此。但在过去的十年中,我们了解到,这种各向同性的特性在一些更奇特的金属中似乎并不成立。”

科学家们之前已经在其他非常规超导体中观察到了对称性破坏的电子无磁性。2017年,Bozovic和他的团队在一种含有镧、锶、铜和氧的金属化合物(LSCO)中检测到了这种现象,与钌酸锶等相比,这种金属化合物在相对较高(但仍为超冷)的温度下变得超导。LSCO晶格也具有正方形对称性,在垂直和水平方向上有两个相等的周期性或原子排列。但电子并不服从这种对称性,在与晶轴不对齐的一个方向上,电阻率较高。

“我们在液晶中看到了这种行为,在电视和其他显示器中,液晶会使光线偏振。”Bozovic说。”液晶像液体一样流动,但像固体一样朝一个首选的方向流动,因为分子具有拉长的杆状形状。这种形状限制了分子紧紧挤在一起时的旋转。液体通常在任何旋转方面都是对称的,但液晶打破了这种旋转对称性,它们在平行和垂直方向上的性质不同。这就是我们在LSCO中看到的情况,电子的行为就像电子液晶一样。”

有了这个令人惊讶的发现,科学家们想知道在其他非常规超导体中是否存在电子无磁性。为了解决这个问题,他们决定将研究重点放在钌酸锶上,因为它的晶体结构与LSCO相同,并且具有强烈的电子相互作用。

在康奈尔大学纳米科学学院的Kavli研究所,Darrell Schlom、Kyle Shen和他们的合作者们在正方形基底和矩形基底上一次一个原子层地生长出钌酸锶的单晶薄膜,使薄膜在一个方向上拉长。这些薄膜必须在厚度和成分上极其均匀,即每万亿个原子中含有一个杂质,才能成为超导。

电子打破了异质低温超导体中的旋转对称性

为了验证薄膜的晶体周期性与基底的晶体周期性相同,布鲁克海文实验室的科学家们进行了高分辨率的X射线衍射实验。

“X射线衍射使我们能够精确测量不同方向上的薄膜和基底的晶格周期,”共同作者、CMPMS分部X射线散射组组长Ian Robinson说。”为了确定晶格畸变是否在线程中起作用,我们首先需要知道是否有畸变以及畸变的程度。”

Bozovic的研究小组将这些毫米大小的薄膜图案化成 “太阳光 “形状,并将36条线以10度为单位径向排列。他们将电流通过这些线,每条线上都有三对电压触点,并沿纵向和横向测量电压。这些测量是在一定的温度范围内收集的,每个薄膜产生了数千个数据文件。

与纵向电压相比,横向电压对线性敏感度要高100倍。如果电流的流动没有首选方向,横向电压在每个角度都应该为零。但事实并非如此,这表明钌酸锶在电子上的线性比LSCO高10倍。更加令人惊讶的是,尽管矩形基板导致晶格畸变,但在方形和矩形基板上生长的薄膜具有相同的向列度(两个方向之间的电阻率相对差异)。拉长晶格只影响线性方向,导电率最高的方向是沿着矩形的短边运行。在室温下,这两种薄膜中的向心性已经存在,而且随着薄膜冷却到超导状态,向心性明显增加。

“我们的观察结果指向了线性的纯电子起源,”Bozovic说。”在这里,相互碰撞的电子之间的相互作用似乎对电阻率的贡献要比电子与晶格相互作用的电子强得多,就像在传统金属中一样。”

未来,该团队将继续测试他们的假设,即在所有非常规超导体中都存在电子线性。”布鲁克海文的两个CMPMS部门小组之间的协同作用对这项研究至关重要。”Bozovic说。”我们将在未来的研究中应用我们互补的专业知识、技术和设备,在其他具有强电子相互作用的材料中寻找电子无磁性的特征。”

论文标题为《Electronic nematicity in Sr2RuO4》。(来源新浪)

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