Les scientifiques ont découvert que le transport de charges électroniques dans un supraconducteur métallique contenant du strontium, ruthénium, et l'oxygène brise la symétrie de rotation du réseau cristallin sous-jacent. Le cristal de ruthénate de strontium a une symétrie de rotation quadruple comme un carré, ce qui signifie qu'il semble identique lorsqu'il est tourné de 90 degrés (quatre fois pour égaler une rotation complète de 360 ​​degrés). Cependant, la résistivité électrique a une symétrie de rotation double (180 degrés) comme un rectangle.

Cette «nématicité électronique», dont la découverte est rapportée dans un article publié le 4 mai dans le Actes de l'Académie nationale des sciences —peut favoriser la supraconductivité « non conventionnelle » du matériau. Pour les supraconducteurs non conventionnels, les théories standard de la conduction métallique sont insuffisantes pour expliquer comment, lors du refroidissement, elles peuvent conduire l'électricité sans résistance (c'est-à-dire, perdre de l'énergie en chaleur). Si les scientifiques peuvent proposer une théorie appropriée, ils peuvent être en mesure de concevoir des supraconducteurs qui ne nécessitent pas de refroidissement coûteux pour atteindre leur efficacité énergétique presque parfaite.

"On imagine un métal comme une charpente solide d'atomes, à travers lequel les électrons circulent comme un gaz ou un liquide, " a déclaré l'auteur correspondant Ivan Bozovic, un scientifique principal et le chef du groupe d'épitaxie par faisceau moléculaire d'oxyde dans la division de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) au laboratoire national de Brookhaven du département de l'énergie des États-Unis (DOE) et professeur adjoint au département de chimie de Yale. « Les gaz et les liquides sont isotropes, ce qui signifie que leurs propriétés sont uniformes dans toutes les directions. La même chose est vraie pour les gaz électroniques ou les liquides dans les métaux ordinaires comme le cuivre ou l'aluminium. Mais au cours de la dernière décennie, nous avons appris que cette isotropie ne semble pas tenir dans certains métaux plus exotiques."

Les scientifiques ont déjà observé une nématicité électronique qui brise la symétrie dans d'autres supraconducteurs non conventionnels. En 2017, Bozovic et son équipe ont détecté le phénomène dans un composé métallique contenant du lanthane, strontium, le cuivre, et l'oxygène (LSCO), qui devient supraconducteur à des températures relativement plus élevées (mais toujours ultrafroides) par rapport à ses homologues à basse température comme le ruthénate de strontium. Le réseau cristallin LSCO a également une symétrie carrée, avec deux périodicités égales, ou des arrangements d'atomes, dans les directions verticale et horizontale. Mais les électrons n'obéissent pas à cette symétrie; la résistivité électrique est plus élevée dans une direction non alignée avec les axes du cristal.

"On voit ce genre de comportement dans les cristaux liquides, qui polarisent la lumière dans les téléviseurs et autres écrans, " a déclaré Bozovic. " Les cristaux liquides s'écoulent comme des liquides mais s'orientent dans une direction préférée comme les solides parce que les molécules ont une forme de tige allongée. Cette forme limite la rotation des molécules lorsqu'elles sont entassées les unes contre les autres. Les liquides sont généralement symétriques par rapport à toute rotation, mais les cristaux liquides brisent une telle symétrie de rotation, avec leurs propriétés différentes dans les directions parallèle et perpendiculaire. C'est ce que nous avons vu dans LSCO :les électrons se comportent comme un cristal liquide électronique."

Avec cette découverte surprenante, les scientifiques se sont demandé si la nématicité électronique existait dans d'autres supraconducteurs non conventionnels. Pour commencer à répondre à cette question, ils ont décidé de se concentrer sur le ruthénate de strontium, qui a la même structure cristalline que LSCO et des électrons en interaction forte.

À l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, Darrell Schlom, Kyle Shen, et leurs collaborateurs ont fait croître des couches minces monocristallines de ruthénate de strontium une couche atomique à la fois sur des substrats carrés et rectangulaires, qui a allongé les films dans une direction. Ces films doivent être extrêmement uniformes en épaisseur et en composition - ayant de l'ordre d'une impureté par billion d'atomes - pour devenir supraconducteurs.

Pour vérifier que la périodicité cristalline des films était la même que celle des substrats sous-jacents, les scientifiques du Brookhaven Lab ont réalisé des expériences de diffraction des rayons X à haute résolution.

"La diffraction des rayons X nous permet de mesurer avec précision la périodicité du réseau des films et des substrats dans différentes directions, " a déclaré Ian Robinson, coauteur et chef du groupe de diffusion des rayons X de la division CMPMS, qui a fait les mesures. "Afin de déterminer si la distorsion du réseau joue un rôle dans la nématicité, nous devions d'abord savoir s'il y avait une distorsion et dans quelle mesure. »

Le groupe de Bozovic a ensuite modelé les films de la taille d'un millimètre dans une configuration de "rayon de soleil" avec 36 lignes disposées radialement par incréments de 10 degrés. Ils ont fait passer du courant électrique à travers ces lignes, dont chacune contenait trois paires de contacts de tension, et ont mesuré les tensions verticalement le long des lignes (direction longitudinale) et horizontalement à travers elles (direction transversale). Ces mesures ont été recueillies sur une plage de températures, générer des milliers de fichiers de données par couche mince.

Par rapport à la tension longitudinale, la tension transversale est 100 fois plus sensible à la nématicité. Si le courant circule sans direction privilégiée, la tension transversale doit être nulle à chaque angle. Ce n'était pas le cas, indiquant que le ruthénate de strontium est électroniquement nématique, 10 fois plus que le LSCO. Encore plus surprenant était que les films cultivés sur des substrats carrés et rectangulaires avaient la même amplitude de nématicité - la différence relative de résistivité entre deux directions - malgré la distorsion du réseau causée par le substrat rectangulaire. L'étirement du réseau n'a affecté que l'orientation de la nématicité, avec la direction de la conductivité la plus élevée le long du côté le plus court du rectangle. La nématicité est déjà présente dans les deux films à température ambiante et augmente considérablement à mesure que les films sont refroidis jusqu'à l'état supraconducteur.

"Nos observations indiquent une origine purement électronique de la nématicité, " dit Bozovic. " Tiens, les interactions entre les électrons qui se heurtent semblent avoir une contribution beaucoup plus forte à la résistivité électrique que les électrons interagissant avec le réseau cristallin, comme ils le font dans les métaux conventionnels.

Aller de l'avant, l'équipe continuera à tester son hypothèse selon laquelle la nématicité électronique existe dans tous les supraconducteurs non conventionnels.

« La synergie entre les deux groupes de la division CMPMS à Brookhaven a été essentielle à cette recherche, " a déclaré Bozovic. " Nous allons appliquer notre expertise complémentaire, technique, et l'équipement dans les études futures à la recherche de signatures de nématicité électronique dans d'autres matériaux avec des électrons en interaction forte. »