Desde el descubrimiento de la superconductividad en Sr ₂ RuO ₄ en 1994, Se han publicado cientos de estudios sobre este compuesto, que han sugerido que Sr ₂ RuO ₄ es un sistema muy especial con propiedades únicas. Estas propiedades hacen que Sr ₂ RuO ₄ un material con gran potencial, por ejemplo, para el desarrollo de tecnologías futuras, incluida la espintrónica superconductora y la electrónica cuántica en virtud de su capacidad para transportar corrientes eléctricas sin pérdidas e información magnética simultáneamente. Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Konstanz ahora ha podido responder una de las preguntas abiertas más interesantes sobre Sr ₂ RuO ₄ :¿Por qué el estado superconductor de este material exhibe algunas características que se encuentran típicamente en materiales conocidos como ferroimanes? que se consideran antagonistas de los superconductores? El equipo ha descubierto que Sr ₂ RuO ₄ alberga una nueva forma de magnetismo, que puede coexistir con la superconductividad y también existe independientemente de la superconductividad. Los resultados se han publicado en la edición actual de Comunicaciones de la naturaleza.

Después de un estudio de investigación que duró varios años e involucró a 26 investigadores de nueve universidades e instituciones de investigación diferentes, parece que se ha encontrado la pieza que faltaba del rompecabezas. Junto a la Universidad de Konstanz, las universidades de Salerno, Cambridge, Seúl Kyoto y Bar Ilan, así como la Agencia de Energía Atómica de Japón, el Instituto Paul Scherrer y el Centro Nazionale delle Ricerche participaron en el estudio.

Hasta ahora no es la herramienta adecuada para encontrar pruebas.

"A pesar de décadas de investigación sobre Sr ₂ RuO ₄ , no había evidencia de la existencia de este tipo inusual de magnetismo en este material. Hace unos pocos años, sin embargo, nos preguntamos si la reconstrucción que ocurre en este material en la superficie, donde la estructura cristalina exhibe algunos pequeños cambios a nivel de escala atómica, también podría dar lugar a un pedido electrónico con propiedades magnéticas. Siguiendo esta intuición, nos dimos cuenta de que esta pregunta probablemente no se había abordado porque nadie había utilizado la "herramienta adecuada" para encontrar pruebas de este magnetismo, que pensamos que podría ser extremadamente débil y solo limitado a unas pocas capas atómicas de la superficie del material ", afirma el líder de este estudio de investigación internacional, Profesor Angelo Di Bernardo de la Universidad de Konstanz, cuya investigación se centra en dispositivos superconductores espintrónicos y cuánticos basados ​​en materiales innovadores.

Para realizar el experimento, el equipo usó monocristales de Sr de alta calidad ₂ RuO ₄ preparado por el grupo del Dr. Antonio Vecchione del Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin en Salerno. "Haciendo grandes cristales de Sr ₂ RuO ₄ sin impurezas fue un gran desafío, aunque crucial para el éxito del experimento, dado que los defectos habrían dado una señal similar a la señal magnética que estábamos buscando, "dice el Dr. Vecchione.

La herramienta adecuada es un rayo de muones.

La "herramienta" especial que los investigadores utilizaron para develar el nuevo magnetismo es un haz de partículas llamadas muones que se producen en un acelerador de partículas en Suiza en el Instituto Paul Scherrer (PSI). "En PSI tenemos la única instalación en el mundo para producir muones que se pueden implantar con una precisión de unos pocos nanómetros. Estas partículas, que se puede utilizar para detectar campos magnéticos extremadamente pequeños, podría detenerse muy cerca de la superficie de Sr ₂ RuO ₄ , lo cual fue crucial para el éxito del experimento ", dice el Dr. Zaher Salman, quien coordinó el experimento en la instalación de muones de PSI.

"Fue una experiencia realmente agradable realizar mediciones en una instalación de tiempo de haz internacional como PSI e interactuar con un grupo tan grande de científicos inspiradores de todo el mundo, desde el comienzo de mi doctorado en Konstanz "dice Roman Hartmann, un investigador de doctorado que contribuyó igualmente como primer autor del estudio.

Los autores también desarrollaron un modelo teórico que sugiere el origen de este magnetismo superficial oculto. "A diferencia de los materiales magnéticos convencionales cuyas propiedades magnéticas se originan a partir de la propiedad mecánica cuántica de un electrón conocido como espín, un movimiento de remolino cooperativo de electrones en interacción, generando corrientes circulantes a escala nanométrica, subyace al magnetismo descubierto en Sr ₂ RuO ₄ ”afirma el Dr. Mario Cuoco del CNR-spin que desarrolló el modelo teórico junto con la Dra. María Teresa Mercaldo y otros colegas de la Universidad de Salerno.

Nuevos conocimientos para la investigación básica y aplicada

Como señaló el profesor Jason Robison de la Universidad de Cambridge, Los resultados confirman que "las propiedades físicas pueden modificarse drásticamente en una superficie de material complejo y en interfaces dentro de heteroestructuras de película delgada, y estas modificaciones se pueden aprovechar para descubrir nueva ciencia para la investigación básica y aplicada, incluido el diseño y desarrollo de dispositivos cuánticos ".

Los coautores del proyecto también incluyen al profesor Yoshiteru Maeno de la Universidad de Kyoto, el científico que descubrió por primera vez la superconductividad en Sr ₂ RuO ₄ en 1994 y quien ha contribuido a algunos de los estudios más importantes sobre este material reportados durante los últimos 30 años.

"Este hallazgo no solo resuelve un enigma de larga data y hace que el material icónico Sr ₂ RuO ₄ aún más interesante que antes, pero también puede desencadenar nuevas investigaciones que eventualmente ayuden a responder otras preguntas abiertas sorprendentes en la ciencia de los materiales ", dice la profesora Elke Scheer de la Universidad de Konstanz, otro de los líderes del proyecto y jefe del equipo de investigación de Mesoscopic Systems.

El nuevo tipo de magnetismo descubierto en Sr ₂ RuO ₄ Es esencial también para comprender mejor las otras propiedades físicas de Sr ₂ RuO ₄ incluida su superconductividad no convencional. El descubrimiento fundamental también puede llevar a la búsqueda de esta nueva forma de magnetismo en otros materiales similares a Sr ₂ RuO ₄ así como desencadenar nuevos estudios para comprender mejor cómo se puede manipular y controlar dicho magnetismo para aplicaciones novedosas de la electrónica cuántica.