Tecnologia Científica

Novo tipo de magnetismo revelado em um material icônico
A equipe descobriu que Sr 2 RuO 4 hospeda uma nova forma de magnetismo, que pode coexistir com a supercondutividade e também existir independentemente da supercondutividade
Por Universidade de Konstanz - 04/10/2021


Domínio público

Desde a descoberta da supercondutividade no Sr 2 RuO 4 em 1994, centenas de estudos foram publicados sobre este composto, sugerindo que o Sr 2 RuO 4 é um sistema muito especial com propriedades únicas. Essas propriedades fazem do Sr 2 RuO 4 um material com grande potencial, por exemplo, para o desenvolvimento de tecnologias futuras, incluindo spintrônica supercondutora e eletrônica quântica, em virtude de sua capacidade de transportar correntes elétricas e informações magnéticas sem perdas simultaneamente. Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas da Universidade de Konstanz foi agora capaz de responder a uma das perguntas abertas mais interessantes sobre Sr 2 RuO 4: por que o estado supercondutor deste material exibe algumas características que são tipicamente encontradas em materiais conhecidos como ferromagnetos, que são considerados antagonistas dos supercondutores? A equipe descobriu que Sr 2 RuO 4 hospeda uma nova forma de magnetismo, que pode coexistir com a supercondutividade e também existir independentemente da supercondutividade. Os resultados foram publicados na edição atual da Nature Communications.

Depois de uma pesquisa que durou vários anos e envolveu 26 pesquisadores de nove universidades e instituições de pesquisa diferentes, a peça que faltava no quebra-cabeça parece ter sido encontrada. Juntamente com a Universidade de Konstanz, as universidades de Salerno, Cambridge, Seul, Kyoto e Bar Ilan, bem como a Agência de Energia Atômica do Japão, o Instituto Paul Scherrer e o Centro Nazionale delle Ricerche participaram do estudo.

Até agora não é a ferramenta certa para encontrar evidências

"Apesar de décadas de pesquisa sobre Sr 2 RuO 4 , não havia evidências da existência desse tipo incomum de magnetismo neste material. Alguns anos atrás, no entanto, nos perguntamos se a reconstrução que acontece neste material na superfície, onde a estrutura cristalina exibe algumas pequenas mudanças no nível da escala atômica, também pode levar a um ordenamento eletrônico com propriedades magnéticas. Seguindo essa intuição, percebemos que essa questão provavelmente não havia sido respondida porque ninguém havia usado a "ferramenta certa" para encontrar evidências desse magnetismo, que pensávamos ser extremamente fraco e limitado apenas a algumas camadas atômicas da superfície do material ", afirma o líder deste estudo de pesquisa internacional, Professor Angelo Di Bernardo da Universidade de Konstanz, cuja pesquisa se concentra em dispositivos supercondutores spintrônicos e quânticos baseados em materiais inovadores.

Para realizar o experimento, a equipe usou monocristais de alta qualidade de Sr 2 RuO 4 preparados pelo grupo do Dr. Antonio Vecchione do Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin em Salerno. "Fazer grandes cristais de Sr 2 RuO 4 sem nenhuma impureza foi um grande desafio, embora crucial para o sucesso do experimento, já que os defeitos teriam dado um sinal semelhante ao sinal magnético que estávamos caçando", disse o Dr. Vecchione.

A ferramenta certa é um feixe de múons

A "ferramenta" especial que os pesquisadores usaram para desvendar o novo magnetismo é um feixe de partículas chamadas múons, produzidas em um acelerador de partículas na Suíça, no Instituto Paul Scherrer (PSI). “Na PSI temos a única instalação do mundo para produzir múons que podem ser implantados com uma precisão de alguns nanômetros. Essas partículas, que podem ser usadas para detectar campos magnéticos extremamente pequenos, poderiam ser interrompidas muito perto da superfície de Sr 2 RuO 4 , que foi crucial para o sucesso do experimento ", disse o Dr. Zaher Salman, que coordenou o experimento na instalação de múons PSI.
 
"Foi uma experiência muito boa realizar medições em uma instalação internacional de tempo de feixe como a PSI e interagir com um grupo tão grande de cientistas inspiradores de todo o mundo, desde o início do meu doutorado em Konstanz", diz Roman Hartmann, um doutorando pesquisador que igualmente contribuiu como primeiro autor do estudo.

Os autores também desenvolveram um modelo teórico sugerindo a origem desse magnetismo de superfície oculta. "Ao contrário dos materiais magnéticos convencionais, cujas propriedades magnéticas se originam da propriedade mecânica quântica de um elétron conhecido como spin, um movimento cooperativo de elétrons interagindo, gerando correntes circulantes em escala nanométrica, está subjacente ao magnetismo descoberto em Sr 2 RuO 4 ", afirma o Dr. .Mário Cuoco do CNR-spin que desenvolveu o modelo teórico junto com a Dra. Maria Teresa Mercaldo e outros colegas da Universidade de Salerno.

Novos insights para pesquisa básica e aplicada

Conforme apontado pelo professor Jason Robison da Universidade de Cambridge, os resultados confirmam que "as propriedades físicas podem ser dramaticamente modificadas em uma superfície de material complexo e em interfaces dentro de heteroestruturas de filme fino, e essas modificações podem ser exploradas para a descoberta de novas ciências básicas e pesquisa aplicada, incluindo o design e desenvolvimento de dispositivos quânticos. "

Os coautores do projeto também incluem o professor Yoshiteru Maeno da Universidade de Kyoto, o cientista que primeiro descobriu a supercondutividade em Sr 2 RuO 4 em 1994 e que contribuiu para alguns dos estudos mais importantes sobre este material relatados nos últimos 30 anos.

"Esta descoberta não apenas resolve um quebra-cabeça de longa data e torna o material icônico Sr 2 RuO 4 ainda mais interessante do que antes, mas também pode desencadear novas investigações que eventualmente ajudarão a responder outras questões abertas marcantes na ciência dos materiais", disse o professor Elke Scheer da a Universidade de Konstanz, outro dos líderes do projeto e chefe da equipe de pesquisa de Sistemas Mesoscópicos.

O novo tipo de magnetismo descoberto em Sr 2 RuO 4 é essencial para também compreender melhor as outras propriedades físicas de Sr 2 RuO 4, incluindo sua supercondutividade não convencional. A descoberta fundamental também pode levar à busca por esta nova forma de magnetismo em outros materiais semelhantes ao Sr 2 RuO 4 , bem como desencadear novos estudos para entender melhor como tal magnetismo pode ser manipulado e controlado para novas aplicações de eletrônica quântica. 

 

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