在外来低温超导体中,电子破坏旋转对称

时间:2020-06-25 22:01 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在外来低温超导体中,电子破坏旋转对称

科学家们发现,在含有锶、钌和氧的金属超导体中,电荷的传输破坏了底层晶格的旋转对称性。钌酸锶晶体有四倍的旋转对称性,像一个正方形,这意味着它看起来完全相同,当转动90度(四倍等于一个完整的360度旋转)。然而,电阻率像矩形一样具有双重(180度)旋转对称。

5月4日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of science)上的一篇论文报道了这一“电子复仇”的发现,它可能会提升这种材料的“非常规”超导性。对于非常规超导体来说,金属传导的标准理论不足以解释它们在冷却后如何能无电阻导电(例如,在冷却后如何导电)。,能量转化为热量)。如果科学家们能提出一个合适的理论,他们也许能设计出不需要昂贵的冷却系统就能达到近乎完美的能源效率的超导体。

“我们想象一个金属原子作为一个坚实的框架,通过电子像气体或液体一样流动,“说通讯作者伊凡Bozovic,资深科学家和氧化物分子束外延的领袖集团在凝聚态物理和材料科学(CMPMS)部门在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和一个兼职教授在耶鲁大学化学系。“气体和液体是各向同性的,这意味着它们在各个方向上的性质是一致的。对于普通金属(如铜或铝)中的电子气体或电子液体也是如此。但在过去的十年里,我们已经了解到,这种各向同性似乎不适用于一些更奇特的金属。”

科学家们此前曾在其他非传统超导体中观察到破坏对称性的电子向列现象。2017年,Bozovic和他的团队在一种含有镧、锶、铜和氧(LSCO)的金属化合物中发现了这一现象,这种金属化合物在相对较高(但仍然超冷)的温度下变得超导,而ruthenate锶等低温化合物则处于低温状态。LSCO晶格也具有方形对称,在垂直和水平方向上有两个相等的周期,即原子排列。但是电子并不遵循这种对称性;在与晶轴不平行的一个方向上,电阻率较高。

Bozovic说:“我们在液晶中看到了这种现象,液晶会使电视和其他显示器中的光发生偏振光。”“液晶像液体一样流动,但像固体一样以优先方向定向,因为分子具有拉长的棒状形状。”这种形状在紧密排列时限制了分子的旋转。液体对于任何旋转都是对称的,但是液晶打破了这种旋转对称,它们的性质在平行和垂直方向上是不同的。这就是我们在lsc中看到的——电子表现得像电子液晶。”

有了这个惊人的发现,科学家们想知道是否在其他非传统超导体中也存在电子向列现象。为了解决这个问题,他们决定把重点放在钌酸锶上,它具有与LSCO相同的晶体结构和强相互作用的电子。

在康奈尔大学纳米尺度科学的Kavli研究所,Darrell Schlom, Kyle Shen和他们的合作者在正方形和长方形的衬底上一次只生长一层钌酸锶的单晶薄膜,使薄膜向一个方向拉长。这些薄膜必须在厚度和组成上极其均匀——每一万亿原子就有一个杂质——才能成为超导。

在外来低温超导体中,电子破坏旋转对称

为了验证薄膜的晶体周期性与底层基片相同,布鲁克海文实验室的科学家们进行了高分辨率x射线衍射实验。

“x射线衍射允许我们精确地测量不同方向上薄膜和基底的晶格周期,”共同作者和CMPMS分部x射线散射小组负责人伊恩·罗宾逊说,他进行了测量。“为了确定晶格畸变是否在向列性中起作用,我们首先需要知道是否存在畸变以及畸变的程度。”

Bozovic的团队随后将毫米大小的薄膜打造成一个“阳光”结构,其中36条线以10度增量呈放射状排列。他们让电流通过这些线路——每条线路都包含三对电压触点——然后测量沿线路垂直方向(纵向方向)和水平方向(横向方向)的电压。这些测量数据是在一定温度范围内收集的,每个薄膜产生数千个数据文件。

与纵向电压相比,横向电压对向列性的敏感性要高100倍。如果电流没有优先方向流动,横向电压应该在每个角度为零。但事实并非如此,这表明钌酸锶是电子向列相的——比LSCO强10倍。更令人惊讶的是,尽管矩形基底造成晶格畸变,正方形基底和矩形基底上生长的薄膜具有相同的向列性——两个方向的电阻率的相对差异。拉伸晶格只影响向列性取向,导电率最高的方向沿矩形较短的一侧运行。在室温下,这两种薄膜都存在向列相,当薄膜冷却到超导状态时,向列相明显增加。

Bozovic说:“我们的观察指向了涅线现象的一个纯粹的电子起源。”“在这里,电子间的相互碰撞似乎比电子与晶格的相互作用对电阻率有更大的贡献,就像它们在传统金属中所做的那样。”

接下来,研究小组将继续验证他们的假设,即所有非传统超导体都存在电子向列性。

“布鲁克黑文的两个CMPMS部门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,在具有强相互作用电子的其他材料中寻找电子向列性的特征。”

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