Sinds de ontdekking van supergeleiding in Sr ₂ RuO ₄ in 1994, honderden studies zijn gepubliceerd over deze verbinding, die hebben gesuggereerd dat Sr ₂ RuO ₄ is een heel bijzonder systeem met unieke eigenschappen. Deze eigenschappen maken Sr ₂ RuO ₄ een materiaal met een groot potentieel, bijvoorbeeld, voor de ontwikkeling van toekomstige technologieën, waaronder supergeleidende spintronica en kwantumelektronica vanwege het vermogen om gelijktijdig verliesvrije elektrische stromen en magnetische informatie te transporteren. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Konstanz heeft nu een van de meest interessante open vragen over Sr. ₂ RuO ₄ :waarom vertoont de supergeleidende toestand van dit materiaal enkele kenmerken die typisch worden aangetroffen in materialen die bekend staan ​​als ferromagneten, die worden beschouwd als antagonisten van supergeleiders? Het team heeft ontdekt dat Sr ₂ RuO ₄ herbergt een nieuwe vorm van magnetisme, die naast supergeleiding kan bestaan ​​en ook onafhankelijk van supergeleiding bestaat. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Natuur Communicatie.

Na een onderzoek dat meerdere jaren duurde en waarbij 26 onderzoekers van negen verschillende universiteiten en onderzoeksinstellingen betrokken waren, het ontbrekende stukje van de puzzel lijkt te zijn gevonden. Naast de Universiteit van Konstanz, de universiteiten van Salerno, Cambridge, Seoel, Kyoto en Bar Ilan, evenals de Japan Atomic Energy Agency, het Paul Scherrer Instituut en het Centro Nazionale delle Ricerche namen deel aan het onderzoek.

Tot nu toe niet de juiste tool om bewijs te vinden

"Ondanks decennia van onderzoek naar Sr ₂ RuO ₄ , er was geen bewijs voor het bestaan ​​van dit ongewone type magnetisme in dit materiaal. Een paar jaar geleden, echter, we vroegen ons af of de reconstructie die in dit materiaal aan de oppervlakte plaatsvindt, waar de kristalstructuur enkele kleine veranderingen vertoont op atomair schaalniveau, zou ook kunnen leiden tot een elektronische bestelling met magnetische eigenschappen. Door deze intuïtie te volgen, we realiseerden ons dat deze vraag waarschijnlijk niet was beantwoord omdat niemand het "juiste gereedschap" had gebruikt om bewijs voor dit magnetisme te vinden, waarvan we dachten dat het extreem zwak zou zijn en alleen beperkt tot een paar atomaire lagen van het oppervlak van het materiaal", zegt de leider van dit internationale onderzoek, Professor Angelo Di Bernardo van de Universiteit van Konstanz, wiens onderzoek zich richt op supergeleidende spintronische en kwantumapparaten op basis van innovatieve materialen.

Om het experiment uit te voeren, het team gebruikte hoogwaardige eenkristallen van Sr ₂ RuO ₄ bereid door de groep van Dr. Antonio Vecchione van het Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin in Salerno. "Grote kristallen maken van Sr ₂ RuO ₄ zonder enige onzuiverheden was een grote uitdaging, hoewel cruciaal voor het succes van het experiment, omdat defecten een signaal zouden hebben gegeven dat lijkt op het magnetische signaal waar we op jagen, " zegt dr. Vecchione.

Het juiste gereedschap is een straal muonen

Het speciale "gereedschap" dat de onderzoekers gebruikten om het nieuwe magnetisme te onthullen, is een bundel deeltjes die muonen worden genoemd en die worden geproduceerd in een deeltjesversneller in Zwitserland bij het Paul Scherrer Institute (PSI). "Bij PSI hebben we de enige faciliteit ter wereld die muonen produceert die met een precisie van enkele nanometers kunnen worden geïmplanteerd. Deze deeltjes, die kan worden gebruikt om extreem kleine magnetische velden te detecteren, kan heel dicht bij het oppervlak van Sr . worden gestopt ₂ RuO ₄ , wat cruciaal was voor het succes van het experiment", zegt Dr. Zaher Salman die het experiment coördineerde in de PSI muon-faciliteit.

"Het was echt een leuke ervaring om metingen uit te voeren in een internationale beamtime-faciliteit als PSI en om te communiceren met zo'n grote groep inspirerende wetenschappers van over de hele wereld, sinds het allereerste begin van mijn doctoraat in Konstanz", zegt Roman Hartmann, een doctoraatsonderzoeker die eveneens als eerste auteur aan het onderzoek heeft bijgedragen.

De auteurs ontwikkelden ook een theoretisch model dat de oorsprong van dit verborgen oppervlaktemagnetisme suggereert. "In tegenstelling tot conventionele magnetische materialen waarvan de magnetische eigenschappen afkomstig zijn van de kwantummechanische eigenschap van een elektron dat bekend staat als spin, een coöperatieve wervelende beweging van op elkaar inwerkende elektronen, het genereren van circulatiestromen op nanometerschaal, ligt ten grondslag aan het magnetisme dat in Sr . is ontdekt ₂ RuO ₄ " zegt Dr. Mario Cuoco van de CNR-spin die het theoretische model ontwikkelde samen met Dr. Maria Teresa Mercaldo en andere collega's van de Universiteit van Salerno.

Nieuwe inzichten voor fundamenteel en toegepast onderzoek

Zoals opgemerkt door professor Jason Robison van de Universiteit van Cambridge, de resultaten bevestigen dat "fysische eigenschappen drastisch kunnen worden gewijzigd op een complex materiaaloppervlak en op grensvlakken binnen dunne-film heterostructuren, en deze modificaties kunnen worden benut voor het ontdekken van nieuwe wetenschap voor fundamenteel en toegepast onderzoek, inclusief het ontwerp en de ontwikkeling van kwantumapparaten."

De co-auteurs van het project zijn ook professor Yoshiteru Maeno aan de Universiteit van Kyoto, de wetenschapper die voor het eerst supergeleiding ontdekte in Sr ₂ RuO ₄ in 1994 en die heeft bijgedragen aan enkele van de belangrijkste studies over dit materiaal die de afgelopen 30 jaar zijn gerapporteerd.

"Deze bevinding lost niet alleen een al lang bestaande puzzel op en maakt het iconische materiaal Sr ₂ RuO ₄ nog interessanter dan voorheen, maar kan ook leiden tot nieuwe onderzoeken die uiteindelijk helpen bij het beantwoorden van andere opvallende open vragen in de materiaalwetenschap", zegt professor Elke Scheer van de Universiteit van Konstanz, een van de leiders van het project en hoofd van het onderzoeksteam van Mesoscopic Systems.

Het nieuwe type magnetisme ontdekt in Sr ₂ RuO ₄ is essentieel om ook de andere fysieke eigenschappen van Sr . beter te begrijpen ₂ RuO ₄ inclusief zijn onconventionele supergeleiding. De fundamentele ontdekking kan ook leiden tot de zoektocht naar deze nieuwe vorm van magnetisme in andere materialen vergelijkbaar met Sr ₂ RuO ₄ en ook nieuwe onderzoeken op gang brengen om beter te begrijpen hoe dergelijk magnetisme kan worden gemanipuleerd en gecontroleerd voor nieuwe kwantumelektronica-toepassingen.