Depuis la découverte de la supraconductivité dans le Sr 2 RuO 4 en 1994, des centaines d'études ont été publiées sur ce composé, qui ont suggéré que Sr 2 RuO 4 est un système très spécial avec des propriétés uniques. Ces propriétés font Sr 2 RuO 4 un matériau à fort potentiel, par exemple, pour le développement de technologies futures, notamment la spintronique supraconductrice et l'électronique quantique en raison de sa capacité à transporter simultanément des courants électriques sans perte et des informations magnétiques. Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'Université de Constance a maintenant été en mesure de répondre à l'une des questions ouvertes les plus intéressantes sur Sr 2 RuO 4 :pourquoi l'état supraconducteur de ce matériau présente-t-il certaines caractéristiques que l'on trouve généralement dans les matériaux appelés ferroaimants, lesquels sont considérés comme des antagonistes des supraconducteurs ? L'équipe a constaté que Sr 2 RuO 4 héberge une nouvelle forme de magnétisme, qui peut coexister avec la supraconductivité et existe également indépendamment de la supraconductivité. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de Communications naturelles.

Après une étude de recherche qui a duré plusieurs années et a impliqué 26 chercheurs de neuf universités et instituts de recherche différents, la pièce manquante du puzzle semble avoir été trouvée. Aux côtés de l'Université de Constance, les universités de Salerne, Cambridge, Séoul, Kyoto et Bar Ilan ainsi que l'Agence japonaise de l'énergie atomique, l'Institut Paul Scherrer et le Centro Nazionale delle Ricerche ont participé à l'étude.

Jusqu'à présent pas le bon outil pour trouver des preuves

"Malgré des décennies de recherche sur Sr 2 RuO 4 , il n'y avait eu aucune preuve de l'existence de ce type inhabituel de magnétisme dans ce matériau. Il y a quelques années, cependant, on s'est demandé si la reconstruction qui se passe dans ce matériau en surface, où la structure cristalline présente quelques petits changements au niveau de l'échelle atomique, pourrait également conduire à un ordre électronique avec des propriétés magnétiques. Suite à cette intuition, nous nous sommes rendu compte que cette question n'avait probablement pas été abordée car personne n'avait utilisé le "bon outil" pour trouver des preuves de ce magnétisme, ce que nous pensions pouvoir être extrêmement faible et limité à quelques couches atomiques de la surface du matériau" déclare le leader de cette étude de recherche internationale, Professeur Angelo Di Bernardo de l'Université de Constance, dont les recherches portent sur les dispositifs supraconducteurs spintroniques et quantiques à base de matériaux innovants.

Pour réaliser l'expérience, l'équipe a utilisé des monocristaux de haute qualité de Sr 2 RuO 4 préparé par le groupe du Dr Antonio Vecchione du Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) Spin à Salerne. "Faire de gros cristaux de Sr 2 RuO 4 sans aucune impureté était un grand défi bien que crucial pour le succès de l'expérience, puisque les défauts auraient donné un signal similaire au signal magnétique que nous chassions, " dit le Dr Vecchione.

Le bon outil est un faisceau de muons

L'"outil" spécial que les chercheurs ont utilisé pour dévoiler le nouveau magnétisme est un faisceau de particules appelées muons qui sont produites dans un accélérateur de particules en Suisse à l'Institut Paul Scherrer (PSI). « Au PSI, nous avons la seule installation au monde à produire des muons implantables avec une précision de quelques nanomètres. Ces particules, qui peut être utilisé pour détecter des champs magnétiques extrêmement minuscules, pourrait être arrêté très près de la surface de Sr 2 RuO 4 , ce qui était crucial pour le succès de l'expérience », explique le Dr Zaher Salman, qui a coordonné l'expérience à l'installation de muons du PSI.

"Ce fut une très belle expérience d'effectuer des mesures dans une installation internationale de faisceaux comme le PSI et d'interagir avec un si grand groupe de scientifiques inspirants du monde entier, depuis le tout début de mon doctorat à Constance" déclare Roman Hartmann, un doctorant qui a également contribué en tant que premier auteur à l'étude.

Les auteurs ont également développé un modèle théorique suggérant l'origine de ce magnétisme de surface caché. "Contrairement aux matériaux magnétiques conventionnels dont les propriétés magnétiques proviennent de la propriété de mécanique quantique d'un électron connu sous le nom de spin, un mouvement tourbillonnant coopératif d'électrons en interaction, générer des courants de circulation à l'échelle nanométrique, sous-tend le magnétisme découvert dans Sr 2 RuO 4 " déclare le Dr Mario Cuoco du CNR-spin qui a développé le modèle théorique avec le Dr Maria Teresa Mercaldo et d'autres collègues de l'Université de Salerne.

De nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale et appliquée

Comme l'a souligné le professeur Jason Robison de l'Université de Cambridge, les résultats confirment que « les propriétés physiques peuvent être considérablement modifiées à la surface d'un matériau complexe et aux interfaces au sein d'hétérostructures à couche mince, et ces modifications peuvent être exploitées pour découvrir de nouvelles sciences pour la recherche fondamentale et appliquée, y compris la conception et le développement de dispositifs quantiques. »

Les co-auteurs du projet incluent également le professeur Yoshiteru Maeno de l'Université de Kyoto, le scientifique qui a découvert la supraconductivité dans Sr 2 RuO 4 en 1994 et qui a contribué à certaines des études les plus importantes sur ce matériel rapportées au cours des 30 dernières années.

"Cette découverte résout non seulement un puzzle de longue date et rend le matériau emblématique Sr 2 RuO 4 encore plus intéressant qu'avant, mais peut également déclencher de nouvelles recherches qui permettront éventuellement de répondre à d'autres questions ouvertes frappantes en science des matériaux", déclare le professeur Elke Scheer de l'Université de Constance, un autre des leaders du projet et chef de l'équipe de recherche Systèmes mésoscopiques.

Le nouveau type de magnétisme découvert dans Sr 2 RuO 4 est essentiel pour mieux comprendre également les autres propriétés physiques du Sr 2 RuO 4 y compris sa supraconductivité non conventionnelle. La découverte fondamentale peut également conduire à la recherche de cette nouvelle forme de magnétisme dans d'autres matériaux similaires au Sr 2 RuO 4 ainsi que déclencher de nouvelles études pour mieux comprendre comment un tel magnétisme peut être manipulé et contrôlé pour de nouvelles applications en électronique quantique.