Ny type magnetisme afsløret i et ikonisk materiale

Siden opdagelsen af ​​superledning i Sr ₂ RuO ₄ i 1994, hundredvis af undersøgelser er blevet offentliggjort om denne forbindelse, som har foreslået, at Sr ₂ RuO ₄ er et helt specielt system med unikke egenskaber. Disse egenskaber gør Sr ₂ RuO ₄ et materiale med stort potentiale, for eksempel, til udvikling af fremtidige teknologier, herunder superledende spintronik og kvanteelektronik i kraft af dens evne til at transportere tabsfri elektriske strømme og magnetisk information samtidigt. Et internationalt forskerhold ledet af forskere ved universitetet i Konstanz har nu været i stand til at besvare et af de mest interessante åbne spørgsmål om Sr. ₂ RuO ₄ :hvorfor udviser den superledende tilstand af dette materiale nogle egenskaber, der typisk findes i materialer kendt som ferromagneter, som anses for at være antagonister til superledere? Holdet har fundet ud af, at Sr ₂ RuO ₄ er vært for en ny form for magnetisme, som kan sameksistere med superledning og eksisterer også uafhængigt af superledning. Resultaterne er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturkommunikation.

Efter et forskningsstudie, der varede flere år og involverede 26 forskere fra ni forskellige universiteter og forskningsinstitutioner, den manglende brik i puslespillet ser ud til at være fundet. Ved siden af ​​universitetet i Konstanz, universiteterne i Salerno, Cambridge, Seoul, Kyoto og Bar Ilan samt det japanske atomenergiagentur, Paul Scherrer Institute og Centro Nazionale delle Ricerche deltog i undersøgelsen.

Indtil videre ikke det rigtige værktøj til at finde beviser

"På trods af årtiers forskning om Sr ₂ RuO ₄ , der havde ikke været beviser for eksistensen af ​​denne usædvanlige type magnetisme i dette materiale. Et par år siden, imidlertid, vi spekulerede på, om den rekonstruktion, der sker i dette materiale på overfladen, hvor krystalstrukturen udviser nogle små ændringer på atomskalaniveau, kunne også føre til en elektronisk bestilling med magnetiske egenskaber. Efter denne intuition, vi indså, at dette spørgsmål sandsynligvis ikke var blevet behandlet, fordi ingen havde brugt det "rigtige værktøj" til at finde beviser for denne magnetisme, som vi troede kunne være ekstremt svag og kun begrænset til et par atomlag fra overfladen af ​​materialet "siger lederen af ​​denne internationale forskningsundersøgelse, Professor Angelo Di Bernardo fra universitetet i Konstanz, hvis forskning fokuserer på superledende spintroniske og kvanteenheder baseret på innovative materialer.

For at udføre forsøget, holdet brugte højkvalitets enkeltkrystaller af Sr ₂ RuO ₄ udarbejdet af gruppen af ​​Dr. Antonio Vecchione fra Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin i Salerno. "Fremstilling af store krystaller af Sr ₂ RuO ₄ uden nogen urenheder var en stor udfordring om end afgørende for eksperimentets succes, da defekter ville have givet et signal, der ligner det magnetiske signal, som vi jagtede, " siger Dr. Vecchione.

Det rigtige værktøj er en stråle af muoner

Det særlige "værktøj", som forskerne brugte til at afsløre den nye magnetisme, er en stråle af partikler kaldet muoner, der produceres i en partikelaccelerator i Schweiz på Paul Scherrer Institute (PSI). "Hos PSI har vi det eneste anlæg i verden til at producere muoner, som kan implanteres med en præcision på få nanometer. Disse partikler, som kan bruges til at detektere ekstremt små magnetiske felter, kunne standses meget tæt på overfladen af ​​Sr ₂ RuO ₄ , hvilket var afgørende for eksperimentets succes", siger Dr. Zaher Salman, der koordinerede eksperimentet på PSI muon-anlægget.

"Det var en rigtig dejlig oplevelse at udføre målinger i en international beamtime-facilitet som PSI og interagere med en så stor gruppe af inspirerende forskere fra hele verden, siden begyndelsen af ​​min doktorgrad i Konstanz "siger Roman Hartmann, en doktorgradsforsker, der ligeså bidrog som førsteforfatter til undersøgelsen.

Forfatterne udviklede også en teoretisk model, der antyder oprindelsen til denne skjulte overflademagnetisme. "I modsætning til konventionelle magnetiske materialer, hvis magnetiske egenskaber stammer fra den kvantemekaniske egenskab ved en elektron kendt som spin, en samvirkende hvirvlende bevægelse af interagerende elektroner, genererer cirkulerende strømme på nanometerskalaen, ligger til grund for magnetismen opdaget i Sr ₂ RuO ₄ " siger Dr. Mario Cuoco fra CNR-spin, der udviklede den teoretiske model sammen med Dr. Maria Teresa Mercaldo og andre kolleger ved University of Salerno.

Ny indsigt til grundforskning og anvendt forskning

Som påpeget af professor Jason Robison ved University of Cambridge, resultaterne bekræfter, at "fysiske egenskaber kan modificeres dramatisk på en kompleks materialeoverflade og ved grænseflader inden for tyndfilms heterostrukturer, og disse ændringer kan udnyttes til at opdage ny videnskab til grundlæggende og anvendt forskning, herunder design og udvikling af kvanteenheder. "

Medforfatterne til projektet inkluderer også professor Yoshiteru Maeno ved Kyoto Universitet, videnskabsmanden, der først opdagede superledning i Sr ₂ RuO ₄ i 1994, og som har bidraget til nogle af de vigtigste undersøgelser af dette materiale, der er rapporteret over de sidste 30 år.

"Dette fund løser ikke kun et langvarigt puslespil og gør det ikoniske materiale Sr ₂ RuO ₄ endnu mere interessant end før, men kan også udløse nye undersøgelser, som i sidste ende hjælper med at besvare andre slående åbne spørgsmål inden for materialevidenskab ", siger professor Elke Scheer fra universitetet i Konstanz, en anden af ​​projektets ledere og leder af forskerteamet for Mesoscopic Systems.

Den nye type magnetisme opdaget i Sr ₂ RuO ₄ er afgørende for også bedre at forstå de andre fysiske egenskaber ved Sr ₂ RuO ₄ herunder dens ukonventionelle superledning. Den grundlæggende opdagelse kan også føre til søgningen efter denne nye form for magnetisme i andre materialer, der ligner Sr ₂ RuO ₄ samt udløse nye undersøgelser for bedre at forstå, hvordan sådan magnetisme kan manipuleres og kontrolleres til nye kvanteelektronikapplikationer.