Se descubre un nuevo tipo de magnetismo en un material emblemático
Descubrimiento de una nueva forma de magnetismo en el rutenato de estroncio
Desde el descubrimiento de la superconductividad en el Sr2RuO4 en 1994, se han publicado cientos de estudios sobre este compuesto, que han sugerido que el Sr2RuO4 es un sistema muy especial con propiedades únicas. Estas propiedades hacen del Sr2RuO4 un material con gran potencial, por ejemplo, para el desarrollo de futuras tecnologías, como la espintrónica superconductora y la electrónica cuántica, en virtud de su capacidad para transportar simultáneamente corrientes eléctricas sin pérdidas e información magnética. Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Konstanz ha podido responder ahora a una de las preguntas abiertas más interesantes sobre el Sr2RuO4: ¿por qué el estado superconductor de este material presenta algunas características que suelen encontrarse en los materiales conocidos como ferromagnetos, que se consideran antagonistas de los superconductores? El equipo ha descubierto que el Sr2RuO4 alberga una nueva forma de magnetismo, que puede coexistir con la superconductividad y existe también independientemente de ésta. Los resultados se han publicado en el número actual de Nature Communications.
Partículas de muones de espín polarizado (esferas rojas con flechas) sondeando una nueva forma de magnetismo en el superconductor de perovskita Sr2RuO4 debido a las corrientes orbitales de bucle generadas en la superficie de Sr2RuO4. El esquema muestra las líneas dipolares asociadas al campo magnético (líneas blancas) generadas únicamente por los orbitales en la superficie de Sr2RuO4, y que inducen un cambio en la precesión del espín de los muones implantados.
Angelo Di Bernardo
Tras un estudio que ha durado varios años y en el que han participado 26 investigadores de nueve universidades e instituciones de investigación diferentes, parece haberse encontrado la pieza que faltaba en el rompecabezas. Además de la Universidad de Constanza, participaron en el estudio las universidades de Salerno, Cambridge, Seúl, Kioto y Bar Ilan, así como el Organismo de Energía Atómica de Japón, el Instituto Paul Scherrer y el Centro Nazionale delle Ricerche.
Hasta ahora no es la herramienta adecuada para encontrar pruebas
"A pesar de décadas de investigación sobre el Sr2RuO4, no se habían encontrado pruebas de la existencia de este tipo inusual de magnetismo en este material. Sin embargo, hace unos años nos preguntamos si la reconstrucción que se produce en este material en la superficie, donde la estructura cristalina presenta algunos pequeños cambios a nivel de escala atómica, podría dar lugar también a un ordenamiento electrónico con propiedades magnéticas. Siguiendo esta intuición, nos dimos cuenta de que esta cuestión 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 limitarse sólo a unas pocas capas atómicas de la superficie del material" afirma el líder de este estudio de investigación internacional, el profesor Angelo Di Bernardo de la Universidad de Konstanz, cuya investigación se centra en dispositivos superconductores espintrónicos y cuánticos basados en materiales innovadores.
Para llevar a cabo el experimento, el equipo utilizó cristales individuales de alta calidad de Sr2RuO4 preparados por el grupo del Dr. Antonio Vecchione del Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin de Salerno. "Fabricar cristales grandes de Sr2RuO4 sin impurezas fue un gran reto, aunque crucial para el éxito del experimento, ya que los defectos habrían dado una señal similar a la señal magnética que estábamos buscando", dice el Dr. Vecchione.
La herramienta adecuada es un haz de muones
La "herramienta" especial que los investigadores utilizaron para desvelar 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 el PSI tenemos la única instalación del mundo que produce muones que pueden implantarse con una precisión de unos pocos nanómetros. Estas partículas, que pueden utilizarse para detectar campos magnéticos extremadamente diminutos, pudieron detenerse muy cerca de la superficie de Sr2RuO4, lo que fue crucial para el éxito del experimento", afirma el Dr. Zaher Salman, que coordinó el experimento en la instalación de muones del PSI.
"Fue una experiencia muy agradable realizar mediciones en una instalación internacional de tiempo de haz como el PSI e interactuar con un grupo tan grande de científicos inspiradores de todo el mundo, desde el principio de mi doctorado en Konstanz", dice Roman Hartmann, un investigador de doctorado que también contribuyó 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 en la propiedad mecánica cuántica de un electrón conocida como espín, el magnetismo descubierto en el Sr2RuO4 se basa en un movimiento cooperativo de los electrones que interactúan, generando corrientes circulantes a escala nanométrica", afirma el Dr. Mario Cuoco, del CNR-spin, que desarrolló el modelo teórico junto con la Dra. Maria Teresa Mercaldo y otros colegas de la Universidad de Salerno.
Nuevas ideas para la investigación básica y aplicada
Como señala el profesor Jason Robison de la Universidad de Cambridge, los resultados confirman que "las propiedades físicas pueden modificarse drásticamente en la superficie de un material complejo y en las interfaces dentro de las heteroestructuras de película fina, y estas modificaciones pueden aprovecharse para descubrir nuevas ciencias para la investigación básica y aplicada, incluyendo el diseño y desarrollo de dispositivos cuánticos".
Entre los coautores del proyecto se encuentra también el profesor Yoshiteru Maeno de la Universidad de Kioto, el científico que descubrió por primera vez la superconductividad en el Sr2RuO4 en 1994 y que ha contribuido a algunos de los estudios más importantes sobre este material divulgados en los últimos 30 años.
"Este hallazgo no sólo resuelve un antiguo enigma y hace que el emblemático material Sr2RuO4 sea aún más interesante que antes, sino que también puede desencadenar nuevas investigaciones que, con el tiempo, ayuden a responder a otras sorprendentes preguntas abiertas en la ciencia de los materiales", afirma la profesora Elke Scheer, de la Universidad de Constanza, otra de las líderes del proyecto y directora del equipo de investigación de Sistemas Mesoscópicos.
El nuevo tipo de magnetismo descubierto en el Sr2RuO4 es esencial para comprender también mejor las demás propiedades físicas del Sr2RuO4, incluida su superconductividad no convencional. El descubrimiento fundamental también puede conducir a la búsqueda de esta nueva forma de magnetismo en otros materiales similares al Sr2RuO4, así como desencadenar nuevos estudios para comprender mejor cómo puede manipularse y controlarse dicho magnetismo para novedosas aplicaciones de electrónica cuántica.
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Publicación original
R. Fittipaldi, R. Hartmann, M. T. Mercaldo, S. Komori, A. Bjørlig, W. Kyung, Y. Yasui, T. Miyoshi, L. Olde-Olthof, C. Palomares-Garcia, V. Granata, I. Keren, W. Higemoto, A. Suter, T. Prokscha, A. Romano, C. Noce, C. Kim, Y. Maeno, E. Scheer, B. Kalisky, J. W. A. Robinson, M. Cuoco, Z. Salman, A. Vecchione, A. Di Bernardo; "Unveiling unconventional magnetism at the surface of Sr2RuO4"; Nature Communications; 12, Article number: 5792 (2021)
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