Neue Art von Magnetismus in Kult-Material entdeckt

Physik-News vom 05.10.2021

Ein internationales Wissenschaftsteam macht eine wegweisende Entdeckung in Strontiumruthenat. Die Forscher sehen Potenzial für neuartige Anwendungen der Quantenelektronik.

Seit der Entdeckung der Supraleitfähigkeit von Sr2RuO4 im Jahr 1994 wurden hunderte von Studien über Strontiumruthenat (Sr₂RuO₄) veröffentlicht, die beschreiben, dass Sr₂RuO₄ ein ganz besonderes System mit einzigartigen Eigenschaften ist. Durch diese Eigenschaften gilt Sr₂RuO₄ als das Kult-Material für die Entwicklung von Zukunftstechnologien wie der supraleitenden Spintronik und der Quantenelektronik, da es in der Lage ist, gleichzeitig verlustfrei elektrische Ströme und magnetische Informationen zu übertragen. Eine der interessantesten offenen Fragen, nämlich warum der supraleitende Zustand von Sr₂RuO₄ einige Eigenschaften aufweist, die sonst typisch für Ferromagnete sind, die als Gegenspieler von Supraleitern gelten, konnte nun von einem internationalen Team unter Leitung der Universität Konstanz beantwortet werden: Sr₂RuO₄ weist eine neue Form von Magnetismus auf, die gleichzeitig mit der Supraleitung vorliegen kann, die aber auch unabhängig von der Supraleitung existiert. Die Ergebnisse sind nachzulesen in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications.

Spintronische Myonen – Elementarteilchen (rote Kugeln mit Pfeilen) – erproben eine neue Form des Magnetismus im ferromagnetischen Supraleiter Strontiumruthenat (Sr₂RuO₄).

© Angelo Di Bernardo

Publikation:

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

Nat Commun 12, 5792 (2021)

DOI: 10.1038/s41467-021-26020-5

Nach einer mehrjährigen Forschungsstudie, an der 26 Forschende von neun verschiedenen Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt waren, ist das fehlende Puzzleteil für diese neue Form des Magnetismus gefunden worden. Beteiligt waren neben der Universität Konstanz die Universitäten Salerno (Italien), Cambridge (England), Seoul (Südkorea), Kyoto (Japan) und Bar Ilan (Israel) sowie die Japanische Atomenergiebehörde, das Paul Scherrer Institut (Schweiz) und das Centro Nazionale delle Ricerche (Italien).

Bisher nicht das richtige Werkzeug, um Beweise zu finden

„Trotz jahrzehntelanger Forschung zu Sr₂RuO₄ hatte es keinen Nachweis für diese untypische Art von Magnetismus bei diesem Material gegeben. Vor einigen Jahren haben wir uns jedoch gefragt, ob die leicht andere Anordnung der Atome an der Oberfläche dieses Materials auch zu einer elektronischen Ordnung mit magnetischen Eigenschaften führen könnte. Wir gingen dieser Frage weiter nach und stellten fest, dass dazu wohl nicht geforscht worden war, weil niemand das ‚richtige Werkzeug‘ zur Verfügung hatte, um Beweise für diesen Magnetismus zu finden, von dem wir annahmen, dass er extrem schwach und nur auf einige wenige Atomschichten an der Oberfläche des Materials beschränkt sein könnte“, erklärt Prof. Angelo Di Bernardo, der an der Universität Konstanz zu supraleitenden spintronischen und Quantenbauelementen forscht und diese internationale Studie leitete.

Für das Experiment verwendete das Team hochwertige Sr₂RuO₄-Einzelkristalle, die von der Gruppe um Dr. Antonio Vecchione vom Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) in Salerno hergestellt wurden. „Große Sr₂RuO₄-Kristalle ohne Verunreinigung herzustellen war eine große Herausforderung, aber notwendig für den Erfolg des Experiments, denn Materialdefekte hätten ein magnetisches Signal ausgesendet ähnlich demjenigen, das wir suchten“, erklärt Antonio Vecchione.

Das richtige Werkzeug ist ein Teilchenstrahl aus Myonen

Das besondere Werkzeug, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zur Entdeckung des neuen Magnetismus benutzten, ist ein Teilchenstrahl aus sogenannten Myonen – Elementarteilchen, die in einem Teilchenbeschleuniger am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz hergestellt werden. „Am PSI verfügen wir über eine weltweit einzige Anlage zur Herstellung von Myonen, die mit einer Präzision von wenigen Nanometern in Materialien eingebracht werden können. Diese Teilchen, mit denen sich extrem kleine Magnetfelder aufspüren lassen, konnten sehr nahe an der Oberfläche von Sr₂RuO₄ gestoppt werden, was für den Erfolg des Experiments entscheidend war", sagt Dr. Zaher Salman, der das Experiment an der Myonen-Anlage des PSI koordinierte.

Die Autoren haben außerdem ein theoretisches Modell entwickelt, das einen Vorschlag für den Ursprung dieses verborgenen Oberflächenmagnetismus macht. „Im Gegensatz zu konventionellen magnetischen Materialien, deren magnetische Eigenschaften auf die quantenmechanische Eigenschaft des sogenannten Elektronspins zurückzuführen sind, liegt dem in Sr₂RuO₄ entdeckten Magnetismus eine kollektive Wirbelbewegung wechselwirkender Elektronen zugrunde, die Kreisströme im Nanometerbereich erzeugt“, erklärt Dr. Mario Cuoco vom CNR, der die Theorie zusammen mit Dr. Maria Teresa Mercaldo und anderen Kollegen der Universität Salerno ausgearbeitet hat.

Neue Erkenntnisse für die Grundlagen- und angewandte Forschung

Wie Prof. Jason Robinson von der Universität Cambridge betont, bestätigen die Ergebnisse, dass „physikalische Eigenschaften an der Oberfläche komplexer Materialien oder an inneren Grenzflächen in dünnen Lagenstrukturen dramatisch verändert werden können und dass diese Veränderungen für die Entdeckung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse in der Grundlagen- und angewandten Forschung sowie für die Konzeption und Entwicklung von Quantenbauelementen genutzt werden können.“

Zu den weiteren Co-Autoren des Projekts gehört auch Prof. Yoshiteru Maeno von der Universität Kyoto, der Wissenschaftler, der 1994 erstmals die Supraleitung in Sr₂RuO₄ entdeckte und seitdem zu einigen der wichtigsten Studien über dieses Material beigetragen hat.

Diese Newsmeldung wurde mit Material der Universität Konstanz via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.