Kredit:CC0 Public Domain
Sedan upptäckten av supraledning i Sr 2 RuO 4 1994, hundratals studier har publicerats på denna förening, som har föreslagit att Sr 2 RuO 4 är ett mycket speciellt system med unika egenskaper. Dessa egenskaper gör Sr 2 RuO 4 ett material med stor potential, till exempel, för utvecklingen av framtida teknologier inklusive supraledande spintronik och kvantelektronik i kraft av dess förmåga att transportera förlustfria elektriska strömmar och magnetisk information samtidigt. En internationell forskargrupp ledd av forskare vid universitetet i Konstanz har nu kunnat svara på en av de mest intressanta öppna frågorna om Sr. 2 RuO 4 :varför uppvisar det supraledande tillståndet hos detta material vissa egenskaper som vanligtvis finns i material som kallas ferromagneter, vilka anses vara antagonister till supraledare? Teamet har funnit att Sr 2 RuO 4 är värd för en ny form av magnetism, som kan samexistera med supraledning och existerar oberoende av supraledning också. Resultaten har publicerats i det aktuella numret av Naturkommunikation.
Efter en forskningsstudie som varade i flera år och involverade 26 forskare från nio olika universitet och forskningsinstitutioner, den saknade pusselbiten verkar ha hittats. Vid sidan av universitetet i Konstanz, universiteten i Salerno, Cambridge, Seoul, Kyoto och Bar Ilan samt Japans atomenergibyrå, Paul Scherrer Institute och Centro Nazionale delle Ricerche deltog i studien.
Än så länge inte rätt verktyg för att hitta bevis
"Trots decennier av forskning om Sr 2 RuO 4 , det hade inte funnits några bevis för förekomsten av denna ovanliga typ av magnetism i detta material. Några år sedan, dock, vi undrade om rekonstruktionen som sker i detta material på ytan, där kristallstrukturen uppvisar några små förändringar på atomskala, skulle också kunna leda till en elektronisk beställning med magnetiska egenskaper. Efter denna intuition, vi insåg att denna fråga förmodligen inte hade behandlats eftersom ingen hade använt "rätt verktyg" för att hitta bevis för denna magnetism, som vi trodde kunde vara extremt svaga och bara begränsade till ett fåtal atomlager från materialets yta", säger ledaren för denna internationella forskningsstudie, Professor Angelo Di Bernardo från universitetet i Konstanz, vars forskning fokuserar på supraledande spintron- och kvantenheter baserade på innovativa material.
För att genomföra experimentet, laget använde högkvalitativa enkristaller av Sr 2 RuO 4 framställd av gruppen av Dr Antonio Vecchione från Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin i Salerno. "Att göra stora kristaller av Sr 2 RuO 4 utan föroreningar var en stor utmaning om än avgörande för experimentets framgång, eftersom defekter skulle ha gett en signal liknande den magnetiska signalen som vi jagade, "säger Dr Vecchione.
Rätt verktyg är en stråle av myoner
Det speciella "verktyg" som forskarna använde för att avslöja den nya magnetismen är en stråle av partiklar som kallas myoner som produceras i en partikelaccelerator i Schweiz vid Paul Scherrer Institute (PSI). "På PSI har vi den enda anläggningen i världen för att producera myoner som kan implanteras med en precision på några nanometer. Dessa partiklar, som kan användas för att upptäcka extremt små magnetfält, kunde stoppas mycket nära ytan av Sr 2 RuO 4 , vilket var avgörande för experimentets framgång", säger Dr Zaher Salman som koordinerade experimentet vid PSI muon-anläggningen.
"Det var en riktigt trevlig upplevelse att utföra mätningar i en internationell stråltidsanläggning som PSI och interagera med en så stor grupp inspirerande forskare från hela världen, sedan början av min doktorsexamen i Konstanz", säger Roman Hartmann, en doktorand som likaså bidrog som första författare till studien.
Författarna utvecklade också en teoretisk modell som antyder ursprunget till denna dolda ytmagnetism. "Till skillnad från konventionella magnetiska material vars magnetiska egenskaper härrör från den kvantmekaniska egenskapen hos en elektron som kallas spinn, en samverkande virvlande rörelse av interagerande elektroner, generera cirkulationsströmmar i nanometerskala, ligger till grund för magnetismen som upptäcktes i Sr 2 RuO 4 " konstaterar Dr Mario Cuoco från CNR-spin som utvecklade den teoretiska modellen tillsammans med Dr Maria Teresa Mercaldo och andra kollegor vid University of Salerno.
Nya insikter för grundforskning och tillämpad forskning
Som påpekat av professor Jason Robison vid University of Cambridge, resultaten bekräftar att "fysikaliska egenskaper kan modifieras dramatiskt vid en komplex materialyta och vid gränssnitt inom tunnfilmsheterostrukturer, och dessa modifieringar kan utnyttjas för att upptäcka ny vetenskap för grundläggande och tillämpad forskning inklusive design och utveckling av kvantenheter."
Medförfattarna till projektet inkluderar även professor Yoshiteru Maeno vid universitetet i Kyoto, forskaren som först upptäckte supraledning i Sr 2 RuO 4 år 1994 och som har bidragit till några av de viktigaste studierna om detta material som rapporterats under de senaste 30 åren.
"Detta fynd löser inte bara ett långvarigt pussel och gör det ikoniska materialet Sr 2 RuO 4 ännu mer intressant än tidigare, men kan också utlösa nya undersökningar som så småningom hjälper till att svara på andra slående öppna frågor inom materialvetenskap", säger professor Elke Scheer från universitetet i Konstanz, en annan av ledarna för projektet och chef för forskargruppen Mesoscopic Systems.
Den nya typen av magnetism som upptäcktes i Sr 2 RuO 4 är viktigt för att också bättre förstå de andra fysiska egenskaperna hos Sr 2 RuO 4 inklusive dess okonventionella supraledning. Den grundläggande upptäckten kan också leda till sökandet efter denna nya form av magnetism i andra material som liknar Sr 2 RuO 4 samt utlösa nya studier för att bättre förstå hur sådan magnetism kan manipuleras och kontrolleras för nya kvantelektroniktillämpningar.
