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Dalla scoperta della superconduttività in Sr 2 RuO 4 nel 1994, centinaia di studi sono stati pubblicati su questo composto, che hanno suggerito che Sr 2 RuO 4 è un sistema molto speciale con proprietà uniche. Queste proprietà rendono Sr 2 RuO 4 un materiale dalle grandi potenzialità, Per esempio, per lo sviluppo di tecnologie future, tra cui la spintronica superconduttiva e l'elettronica quantistica, in virtù della sua capacità di trasportare contemporaneamente correnti elettriche senza perdite e informazioni magnetiche. Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati dell'Università di Costanza è stato ora in grado di rispondere a una delle domande aperte più interessanti su Sr 2 RuO 4 :perché lo stato superconduttivo di questo materiale presenta alcune caratteristiche che si trovano tipicamente nei materiali noti come ferromagneti, che sono considerati antagonisti dei superconduttori? Il team ha scoperto che Sr 2 RuO 4 ospita una nuova forma di magnetismo, che può coesistere con la superconduttività ed esiste anche indipendentemente dalla superconduttività. I risultati sono stati pubblicati nell'attuale numero di Comunicazioni sulla natura.
Dopo uno studio di ricerca durato diversi anni e che ha coinvolto 26 ricercatori di nove diverse università e istituti di ricerca, il pezzo mancante del puzzle sembra essere stato trovato. Accanto all'Università di Costanza, le università di Salerno, Cambridge, Seul, Kyoto e Bar Ilan, nonché l'Agenzia giapponese per l'energia atomica, allo studio hanno partecipato l'Istituto Paul Scherrer e il Centro Nazionale delle Ricerche.
Finora non è lo strumento giusto per trovare prove
"Nonostante decenni di ricerche su Sr 2 RuO 4 , non c'erano prove dell'esistenza di questo insolito tipo di magnetismo in questo materiale. Alcuni anni fa, però, ci siamo chiesti se la ricostruzione che avviene in questo materiale in superficie, dove la struttura cristallina mostra alcuni piccoli cambiamenti a livello di scala atomica, potrebbe anche portare a un ordinamento elettronico con proprietà magnetiche. Seguendo questa intuizione, ci siamo resi conto che questa domanda probabilmente non era stata affrontata perché nessuno aveva usato lo "strumento giusto" per trovare prove di questo magnetismo, che pensavamo potesse essere estremamente debole e limitato solo a pochi strati atomici dalla superficie del materiale" afferma il leader di questo studio di ricerca internazionale, Professor Angelo Di Bernardo dell'Università di Costanza, la cui ricerca si concentra sui dispositivi spintronici e quantistici superconduttori basati su materiali innovativi.
Per eseguire l'esperimento, il team ha utilizzato cristalli singoli di alta qualità di Sr 2 RuO 4 a cura del gruppo del Dott. Antonio Vecchione del Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin di Salerno. "Fare grandi cristalli di Sr 2 RuO 4 senza impurità è stata una grande sfida anche se cruciale per il successo dell'esperimento, poiché i difetti avrebbero dato un segnale simile al segnale magnetico che stavamo cacciando, " dice il dottor Vecchione.
Lo strumento giusto è un raggio di muoni
Lo speciale "strumento" che i ricercatori hanno utilizzato per svelare il nuovo magnetismo è un fascio di particelle chiamate muoni che vengono prodotte in un acceleratore di particelle in Svizzera presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI). "Al PSI abbiamo l'unico impianto al mondo per produrre muoni che possono essere impiantati con una precisione di pochi nanometri. Queste particelle, che può essere utilizzato per rilevare campi magnetici estremamente piccoli, potrebbe essere fermato molto vicino alla superficie di Sr 2 RuO 4 , che è stato cruciale per il successo dell'esperimento", afferma il dott. Zaher Salman che ha coordinato l'esperimento presso l'impianto di muoni PSI.
"E' stata davvero una bella esperienza effettuare misurazioni in una struttura internazionale di tempo del fascio come PSI e interagire con un gruppo così ampio di scienziati stimolanti provenienti da tutto il mondo, fin dall'inizio del mio dottorato a Costanza", afferma Roman Hartmann, un ricercatore di dottorato che ha contribuito in egual modo come primo autore allo studio.
Gli autori hanno anche sviluppato un modello teorico che suggerisce l'origine di questo magnetismo superficiale nascosto. "A differenza dei materiali magnetici convenzionali le cui proprietà magnetiche derivano dalla proprietà quantomeccanica di un elettrone noto come spin, un movimento vorticoso cooperativo di elettroni interagenti, generare correnti circolanti su scala nanometrica, alla base del magnetismo scoperto in Sr 2 RuO 4 " afferma il dott. Mario Cuoco del CNR-spin che ha sviluppato il modello teorico insieme alla dott.ssa Maria Teresa Mercaldo e ad altri colleghi dell'Università di Salerno.
Nuovi spunti per la ricerca di base e applicata
Come sottolineato dal professor Jason Robison dell'Università di Cambridge, i risultati confermano che "le proprietà fisiche possono essere drasticamente modificate su una superficie di materiale complessa e sulle interfacce all'interno di eterostrutture a film sottile, e queste modifiche possono essere sfruttate per scoprire nuove scienze per la ricerca di base e applicata, compresa la progettazione e lo sviluppo di dispositivi quantistici".
I coautori del progetto includono anche il professor Yoshiteru Maeno dell'Università di Kyoto, lo scienziato che per primo scoprì la superconduttività in Sr 2 RuO 4 nel 1994 e che ha contribuito ad alcuni dei più importanti studi su questo materiale riportati negli ultimi 30 anni.
"Questa scoperta non solo risolve un enigma di vecchia data e rende il materiale iconico Sr 2 RuO 4 ancora più interessante di prima, ma può anche innescare nuove indagini che alla fine aiutano a rispondere ad altre sorprendenti domande aperte nella scienza dei materiali", afferma la professoressa Elke Scheer dell'Università di Costanza, un altro dei leader del progetto e capo del team di ricerca di Mesoscopic Systems.
Il nuovo tipo di magnetismo scoperto a Sr 2 RuO 4 è essenziale per comprendere meglio anche le altre proprietà fisiche di Sr 2 RuO 4 compresa la sua superconduttività non convenzionale. La fondamentale scoperta potrebbe portare anche alla ricerca di questa nuova forma di magnetismo in altri materiali simili a Sr 2 RuO 4 nonché avviare nuovi studi per comprendere meglio come tale magnetismo può essere manipolato e controllato per nuove applicazioni di elettronica quantistica.
