Rutenato di stronzio

Rutenato di stronzio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	Sr2RuO4
SMILES	[Sr+2].[Sr+2].[O-][Ru+4]([O-])([O-])[O-]
Indicazioni di sicurezza

Il rutenato di stronzio è un ossido di stronzio e rutenio con formula chimica Sr₂RuO₄. È stato il primo superconduttore di perovskite segnalato che non contenente rame^[1][2]. Il rutenato di stronzio è strutturalmente molto simile ai superconduttori cuprati ad alta temperatura^[3], e, in particolare, è quasi identico al superconduttore drogato con lantanio (La, Sr)₂CuO₄^[4]. Tuttavia, il punto critico per la transizione di fase superconduttrice è 0,93 K (circa 1,5 K per il miglior campione), che è molto inferiore al valore corrispondente per i cuprati^[1].

La struttura della perovskite può essere dedotta in base alle misurazioni della diffrazione dei raggi X della polvere; le costanti di reticolo sono ${\displaystyle a=387\,\mathrm {pm} }$ e ${\displaystyle c=1274\,\mathrm {pm} }$^[5]. Il rutenato di stronzio si comporta come un liquido di Fermi convenzionale a temperature inferiori a 25 K^[2].

Superconduttività

La superconduttività nel rutenato di stronzio è stata osservata per la prima volta da Yoshiteru Maeno e dal suo gruppo nel 1994 quando stavano cercando superconduttori ad alta temperatura con strutture simili ai cuprati. A differenza dei cuprati, il rutenato di stronzio mostra superconduttività anche in assenza di drogaggio^[3]. È stato dimostrato^[6] che il parametro dell'ordine dei superconduttori nel rutenato di stronzio mostra segni di rottura della simmetria di inversione temporale e, quindi, può essere classificato come un superconduttore non convenzionale.

Si ritiene che il rutenato di stronzio sia un sistema abbastanza bidimensionale, con la superconduttività che si verifica principalmente sul piano Ru-O. La struttura elettronica del rutenato di stronzio è caratterizzata da tre bande derivate dagli orbitali ${\displaystyle 4d\,t_{2g}}$ del Ru, ovvero le bande ${\displaystyle \alpha ,\,\beta }$ e ${\displaystyle \gamma }$, di cui la prima è simile a un buco mentre le altre due sono simili a un elettrone. Tra questi, la banda ${\displaystyle \gamma }$ deriva principalmente dall'orbitale ${\displaystyle d_{xy}}$, mentre le bande ${\displaystyle \alpha }$ e ${\displaystyle \beta }$ emergono dall'ibridazione degli orbitali ${\displaystyle d_{xz}}$ e ${\displaystyle d_{yz}}$. A causa della bidimensionalità del rutenato di stronzio, la sua superficie di Fermi è costituita da tre fogli quasi bidimensionali con poca dispersione lungo l'asse ${\displaystyle c}$ cristallino e il composto risultante è quasi magnetico^[7].

Le prime proposte hanno suggerito che la superconduttività è dominante nella banda ${\displaystyle \gamma }$. In particolare, il parametro dell'ordine dell'onda ${\displaystyle p}$ chirale nello spazio della quantità di moto mostra un avvolgimento di fase k-dipendente che è caratteristico della rottura della simmetria con inversione temporale. Si prevede che questo peculiare ordine di superconduttore a banda singola dia luogo a un'apprezzabile supercorrente spontanea ai margini del campione. Un tale effetto è strettamente associato alla topologia dell'Hamiltoniana che descrive il rutenato di stronzio nello stato superconduttore, che è caratterizzato da un numero Chern diverso da zero. Tuttavia, le sonde a scansione finora non sono riuscite a rilevare i campi di rottura della simmetria di inversione temporale previsti generati dalla supercorrente, poiché fuori di ordini di grandezza^[8]. Ciò ha portato alcuni a ipotizzare che la superconduttività derivi invece prevalentemente dalle bande ${\displaystyle \alpha }$ e ${\displaystyle \beta }$^[9]. Un tale superconduttore a due bande, sebbene abbia un avvolgimento di fase k-dipendente nei suoi parametri di ordine sulle due bande rilevanti, è topologicamente banale con le due bande che presentano numeri Chern opposti. Pertanto, potrebbe eventualmente dare una supercorrente molto ridotta se non completamente annullata sul bordo. Tuttavia, questo ragionamento è stato successivamente ritenuto non del tutto corretto: l'entità della corrente di bordo non è direttamente correlata alla proprietà topologica dello stato chirale^[10] In particolare, sebbene ci si aspetti che la topologia non banale dia origine a stati di bordo chirali protetti, a causa dell'interruzione della simmetria ${\displaystyle U(1)}$ la corrente di bordo non è una quantità protetta. In effetti, è stato dimostrato che la corrente di bordo svanisce in modo identico per qualsiasi stato di accoppiamento chirale con un momento angolare più elevato che presenta numeri Chern ancora più grandi^[11][12].

La temperatura critica sembra aumentare sotto la compressione uniassiale^[13] che spinge la singolarità di van Hove dell'orbitale ${\displaystyle d_{xy}}$ attraverso il livello di Fermi^[14].

Nell'agosto 2021 sono state riportate prove per lo stato di singoletto dell'onda ${\displaystyle p}$ come nei cuprati e nei superconduttori convenzionali, invece del presunto stato di tripletto dell'onda ${\displaystyle p}$ più non convenzionale^[15][16].

Note

1. (EN) Maeno Yoshiteru e H. Hashimoto, Superconductivity in a layered perovskite without copper, in Nature, vol. 372, n. 6506, 1994, pp. 532–534, DOI:10.1038/372532a0.
2. (EN) Brian Yanoff, Temperature dependence of the penetration depth in the unconventional superconductor Sr₂RuO₄ (PDF), University of Illinois at Urbana-Champaign, 2000. URL consultato il 20 marzo 2022 (archiviato dall'url originale il 16 settembre 2012).
3. (EN) Rachel Wooten, Strontium Ruthenate, su docs.google.com, University of Tennessee-Knoxville. URL consultato il 16 aprile 2012.
4. (EN) Maeno Yoshiteru, Maurice Rice e Manfred Sigrist, The intriguing superconductivity of Strontium Ruthenate (PDF), in Physics Today, vol. 54, n. 1, 2001, p. 42, DOI:10.1063/1.1349611. URL consultato il 16 aprile 2012.
5. (EN) F. Lichtenberg, A. Catana, J. Mannhart e D.G. Schlom, Sr₂RuO₄: A metallic substrate for the epitaxial growth of YBa₂Cu₃O_7−δ, in Applied Physics Letters, vol. 60, n. 9, AIP Publishing, 2 marzo 1992, pp. 1138–1140, DOI:10.1063/1.106432, ISSN 0003-6951 (WC · ACNP).
6. (EN) Kapitulnik Aharon, Jing Xia, Elizabeth Schemm e Alexander Palevski, Polar Kerr effect as probe for time-reversal symmetry breaking in unconventional superconductors, in New Journal of Physics, vol. 11, n. 5, maggio 2009, p. 055060, DOI:10.1088/1367-2630/11/5/055060.
7. (EN) I.I. Mazin e David J. Singh, Ferromagnetic Spin Fluctuation Induced Superconductivity in Sr₂RuO₄, in Physical Review Letters, vol. 79, n. 4, American Physical Society (APS), 28 luglio 1997, pp. 733–736, DOI:10.1103/physrevlett.79.733, ISSN 0031-9007 (WC · ACNP).
8. (EN) Clifford W. Hicks, Limits on superconductivity-related magnetization in Sr₂RuO₄ and PrOs₄Sb₁₂ from scanning SQUID microscopy, in Physical Review B, vol. 81, n. 21, 2010, p. 214501, DOI:10.1103/PhysRevB.81.214501.
9. (EN) S. Raghu, Aharon Marini, Steve Pankratov e Angel Rubio, Hidden Quasi-One-Dimensional Superconductivity in Sr₂RuO₄, in Physical Review Letters, vol. 105, n. 13, 2010, p. 136401, DOI:10.1103/PhysRevLett.105.026401, PMID 20867720.
10. (EN) Wen Huang, Samuel Lederer, Edward Taylor e Catherine Kallin, Nontopological nature of the edge current in a chiralp-wave superconductor, in Physical Review B, vol. 91, n. 9, 12 marzo 2015, p. 094507, DOI:10.1103/physrevb.91.094507, ISSN 1098-0121 (WC · ACNP).
11. (EN) Wen Huang, Edward Taylor e Catherine Kallin, Vanishing edge currents in non-p-wave topological chiral superconductors, in Physical Review B, vol. 90, n. 22, 19 dicembre 2014, p. 224519, DOI:10.1103/physrevb.90.224519, ISSN 1098-0121 (WC · ACNP).
12. (EN) Yasuhiro Tada, Wenxing Nie e Masaki Oshikawa, Orbital Angular Momentum and Spectral Flow in Two-Dimensional Chiral Superfluids, in Physical Review Letters, vol. 114, n. 19, 13 maggio 2015, p. 195301, DOI:10.1103/physrevlett.114.195301, ISSN 0031-9007 (WC · ACNP), PMID 26024177.
13. (EN) Alexander Steppke, Lishan Zhao, Mark E. Barber, Thomas Scaffidi, Fabian Jerzembeck, Helge Rosner, Alexandra S. Gibbs, Yoshiteru Maeno, Steven H. Simon, Andrew P. Mackenzie e Clifford W. Hicks, Strong peak in T_c of Sr₂RuO₄ under uniaxial pressure (PDF), in Science, vol. 355, n. 6321, American Association for the Advancement of Science (AAAS), 12 gennaio 2017, p. eaaf9398, DOI:10.1126/science.aaf9398, ISSN 0036-8075 (WC · ACNP), PMID 28082534.
14. (EN) Veronika Sunko, Edgar Abarca Morales, Igor Marković, Mark E. Barber, Dijana Milosavljević, Federico Mazzola, Dmitry A. Sokolov, Naoki Kikugawa, Cephise Cacho, Pavel Dudin e Helge Rosner, Direct observation of a uniaxial stress-driven Lifshitz transition in Sr₂RuO₄, in npj Quantum Materials, vol. 4, n. 1, 19 agosto 2019, pp. 1–7, DOI:10.1038/s41535-019-0185-9, ISSN 2397-4648 (WC · ACNP).
15. (EN) Aaron Chronister, Andrej Pustogow, Naoki Kikugawa, Dmitry A. Sokolov, Fabian Jerzembeck, Clifford W. Hicks, Andrew P. Mackenzie, Eric D. Bauer e Stuart E. Brown, Evidence for even parity unconventional superconductivity in Sr₂RuO₄, in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 118, n. 25, 22 giugno 2021, DOI:10.1073/pnas.2025313118, ISSN 0027-8424 (WC · ACNP), PMID 34161272.
16. (EN) Lopatka Alex, An unconventional superconductor isn’t so odd after all, 5 agosto 2021, DOI:10.1063/PT.6.1.20210805°.

Voci correlate

• Rutenio
• Stronzio
• Superconduttori
• Livello di Fermi
• Effetto Josephson

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