Профессор Дэвид Хоторн, профессор Мишель Гинграс, докторант Эндрю Ачкар и научный сотрудник доктор Чжихао Хао с факультета физики и астрономии Университета Ватерлоо экспериментально показали, что электронные облака в сверхпроводящих материалах могут образовывать выровненный и направленный порядок, называемый нематичностью. .«В последние несколько лет стало очевидно, что электроны, участвующие в сверхпроводимости, могут образовывать узоры, полосы или шахматные доски и проявлять разную симметрию, предпочтительно выстраиваясь в одном направлении», — сказал профессор Хоторн. «Эти модели и симметрии имеют важные последствия для сверхпроводимости — они могут конкурировать, сосуществовать или, возможно, даже усиливать сверхпроводимость».Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Science, представляют собой наиболее прямые экспериментальные доказательства на сегодняшний день электронной нематичности как универсальной особенности купратных высокотемпературных сверхпроводников.
«В этом исследовании мы выявляем неожиданное выравнивание электронов — открытие, которое, вероятно, характерно для высокотемпературных сверхпроводников и со временем может оказаться ключевым компонентом проблемы», — сказал профессор Хоторн.Сверхпроводимость, способность материала проводить электрический ток с нулевым сопротивлением, лучше всего описать как экзотическое состояние в высокотемпературных сверхпроводниках, которое сложно предсказать, не говоря уже о объяснении.Ученые использовали новую технику, называемую мягким рассеянием рентгеновских лучей, на синхротроне Canadian Light Source в Саскатуне, чтобы исследовать рассеяние электронов в определенных слоях кристаллической структуры купрата. В частности, отдельные плоскости купрата (CuO2), в которых имеет место электронная нематичность, по сравнению с кристаллическими искажениями между плоскостями CuO2.
Электронная нематика возникает, когда электронные орбитали выстраиваются как ряд стержней, нарушая их однонаправленную симметрию помимо симметрии кристаллической структуры.Термин «нематичность» обычно относится к случаям, когда жидкие кристаллы спонтанно выравниваются под действием электрического поля в жидкокристаллических дисплеях.
В этом случае именно электронные орбитали переходят в нематическое состояние, когда температура падает ниже критической точки.Недавние открытия в области высокотемпературной сверхпроводимости выявили сложную конкуренцию между сверхпроводящим состоянием и флуктуациями порядка волны зарядовой плотности. Эти периодические колебания в распределении электрических зарядов создают области, где электроны собираются в облака с высокой или низкой плотностью — явление, которое теперь признано общим для недодопированных купратов.Результаты этого исследования показывают, что электронная нематичность, вероятно, также встречается в недодопированных купратах.
Понимание связи нематичности с порядком волны зарядовой плотности, сверхпроводимостью и кристаллической структурой отдельного материала может оказаться важным для определения происхождения сверхпроводящей и так называемой псевдощелевой фаз.Авторы также обнаружили, что выбор легирующего материала влияет на переход в нематическое состояние. Добавки, такие как стронций, лантан и даже европий, добавленные в решетку купрата, создают искажения в структуре решетки, которые могут либо усиливать, либо ослаблять нематичность и волновой порядок плотности заряда в слое CuO2.Хотя пока нет согласованного объяснения того, почему возникает электронная нематичность, в конечном итоге она может предоставить еще одну ручку для настройки в поисках достижения конечной цели создания сверхпроводника при комнатной температуре.
«Будущие исследования будут посвящены тому, как можно настроить электронную нематичность, возможно, в лучшую сторону, путем изменения кристаллической структуры», — говорит Хоторн.Боярышник и Гинграс оба являются научными сотрудниками Канадского института перспективных исследований.
Гинграс возглавляет канадскую кафедру теории конденсированных сред и статистической механики и во время выполнения этой работы проводил время в Институте теоретической физики Периметра в качестве приглашенного исследователя.Среди других канадских сотрудников — Canadian Light Source и H. Zhang и Y.-J.
Ким из Университета Торонто.