Os cientistas descobriram que o transporte de carga eletrônica em um supercondutor metálico contendo estrôncio, rutênio, e o oxigênio quebra a simetria rotacional da estrutura cristalina subjacente. O cristal de rutenato de estrôncio tem simetria rotacional quádrupla como um quadrado, o que significa que parece idêntico quando girado em 90 graus (quatro vezes para igualar uma rotação completa de 360 ​​graus). Contudo, a resistividade elétrica tem simetria rotacional dupla (180 graus) como um retângulo.

Essa 'nematicidade eletrônica' - cuja descoberta é relatada em um artigo publicado em 4 de maio no Proceedings of the National Academy of Sciences - pode promover a supercondutividade "não convencional" do material. Para supercondutores não convencionais, teorias padrão de condução metálica são inadequadas para explicar como, após o resfriamento, elas podem conduzir eletricidade sem resistência (ou seja, perder energia para o calor). Se os cientistas puderem apresentar uma teoria apropriada, eles podem ser capazes de projetar supercondutores que não requerem resfriamento caro para atingir sua eficiência energética quase perfeita.

"Imaginamos um metal como uma estrutura sólida de átomos, através do qual os elétrons fluem como um gás ou líquido, "disse o autor correspondente Ivan Bozovic, um cientista sênior e líder do Grupo de Epitaxia de Feixe Molecular de Óxido na Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e professor adjunto do Departamento de Química de Yale. "Gases e líquidos são isotrópicos, o que significa que suas propriedades são uniformes em todas as direções. O mesmo é verdadeiro para gases ou líquidos de elétrons em metais comuns, como cobre ou alumínio. Mas na última década, aprendemos que essa isotropia não parece se manter em alguns metais mais exóticos. "

Os cientistas observaram anteriormente a nematicidade eletrônica de quebra de simetria em outros supercondutores não convencionais. Em 2017, Bozovic e sua equipe detectaram o fenômeno em um composto metálico contendo lantânio, estrôncio, cobre, e oxigênio (LSCO), que se torna supercondutor em temperaturas relativamente mais altas (mas ainda ultracold) em comparação com contrapartes de baixa temperatura como o rutenato de estrôncio. A rede de cristal LSCO também tem simetria quadrada, com duas periodicidades iguais, ou arranjos de átomos, nas direções vertical e horizontal. Mas os elétrons não obedecem a essa simetria; a resistividade elétrica é maior em uma direção não alinhada com os eixos do cristal.

“Vemos esse tipo de comportamento em cristais líquidos, que polarizam a luz em TVs e outros monitores, "disse Bozovic." Os cristais líquidos fluem como líquidos, mas orientam-se em uma direção preferencial como os sólidos porque as moléculas têm uma forma alongada em forma de bastão. Esta forma restringe a rotação das moléculas quando compactadas juntas. Os líquidos são normalmente simétricos em relação a qualquer rotação, mas os cristais líquidos quebram essa simetria rotacional, com suas propriedades diferentes nas direções paralelas e perpendiculares. Isso é o que vimos no LSCO - os elétrons se comportam como um cristal líquido eletrônico. "

Com esta descoberta surpreendente, os cientistas se perguntaram se a nematicidade eletrônica existia em outros supercondutores não convencionais. Para começar a abordar esta questão, eles decidiram se concentrar no rutenato de estrôncio, que tem a mesma estrutura cristalina do LSCO e elétrons com forte interação.

No Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, Darrell Schlom, Kyle Shen, e seus colaboradores cultivaram filmes finos de cristal único de rutenato de estrôncio, uma camada atômica de cada vez, em substratos quadrados e retangulares, que alongou os filmes em uma direção. Esses filmes precisam ser extremamente uniformes em espessura e composição - tendo na ordem de uma impureza por trilhão de átomos - para se tornarem supercondutores.

Para verificar se a periodicidade do cristal dos filmes era a mesma dos substratos subjacentes, os cientistas do Brookhaven Lab realizaram experimentos de difração de raios-X de alta resolução.

"A difração de raios-X nos permite medir com precisão a periodicidade da rede de ambos os filmes e substratos em diferentes direções, "disse o co-autor e líder do Grupo de Espalhamento de Raios-X da Divisão CMPMS, Ian Robinson, quem fez as medições. "Para determinar se a distorção da rede desempenha um papel na nematicidade, primeiro precisamos saber se há alguma distorção e quanto. "

O grupo de Bozovic então padronizou os filmes de tamanho milimétrico em uma configuração de "raio de sol" com 36 linhas dispostas radialmente em incrementos de 10 graus. Eles passaram a corrente elétrica por essas linhas - cada uma das quais continha três pares de contatos de tensão - e mediram as tensões verticalmente ao longo das linhas (direção longitudinal) e horizontalmente através delas (direção transversal). Essas medições foram coletadas em uma gama de temperaturas, gerando milhares de arquivos de dados por filme fino.

Comparado com a tensão longitudinal, a tensão transversal é 100 vezes mais sensível à nematicidade. Se a corrente flui sem direção preferencial, a tensão transversal deve ser zero em todos os ângulos. Não foi esse o caso, indicando que o rutenato de estrôncio é eletronicamente nemático - 10 vezes mais do que o LSCO. Ainda mais surpreendente foi que os filmes crescidos em substratos quadrados e retangulares tinham a mesma magnitude de nematicidade - a diferença relativa na resistividade entre duas direções - apesar da distorção da rede causada pelo substrato retangular. O alongamento da rede afetou apenas a orientação da nematicidade, com a direção de maior condutividade ao longo do lado mais curto do retângulo. A nematicidade já está presente em ambos os filmes em temperatura ambiente e aumenta significativamente à medida que os filmes são resfriados ao estado supercondutor.

"Nossas observações apontam para uma origem puramente eletrônica da nematicidade, "disse Bozovic." Aqui, as interações entre os elétrons que chocam uns com os outros parecem ter uma contribuição muito mais forte para a resistividade elétrica do que os elétrons que interagem com a rede cristalina, como fazem em metais convencionais. "

Daqui para frente, a equipe continuará testando sua hipótese de que a nematicidade eletrônica existe em todos os supercondutores não convencionais.

"A sinergia entre os dois grupos da Divisão CMPMS em Brookhaven foi fundamental para esta pesquisa, "disse Bozovic." Vamos aplicar nossa experiência complementar, técnicas, e equipamentos em estudos futuros procurando assinaturas de nematicidade eletrônica em outros materiais com elétrons em forte interação. "