Квантова изненада: Учени откриха удивителни свойства в обикновения кобалт

Международен екип от учени откри, че кобалтът, един от най-изследваните феромагнитни метали, има сложна топологична електронна структура. Откритията показват, че кобалтът не е просто еталонен феромагнетик, а настройваема топологична платформа с потенциални приложения в квантовите технологии. Откритието показва, че разбирането ни за феромагнитните метали далеч не е пълно и че дори най-познатите материали могат да съдържат необичайни квантови състояния.

„Кобалтът е един от най-добре познатите и най-широко изследвани феромагнитни елементи през последните 40 години и се смяташе, че електронната му структура е добре известна“, казва Хайме Санчес-Барига от Центъра за материали и енергия „Хелмхолц“ в Берлин, Германия. Хелмхолц, ръководител на изследването. – ‘Ние обаче открихме топологично интересна зонална структура с многобройни пресичания и възли, които доминират в нискоенергийното му електронно поведение. Това изцяло променя досегашното ни разбиране за фундаменталните свойства на този елементарен материал.“

Използвайки синхротрона BESSY II за спинова – фотоемисионна спектроскопия с ъглово измерване, учените откриха преплетени енергийни ленти в кобалта, които се пресичат по удължени траектории в определени кристалографски посоки. Тези характеристики се запазват при стайна температура, което ги прави достъпни за практически приложения, пише Scitech Daily.

Основното откритие е гъста мрежа от магнитни възлови линии – топологични пресечни точки на зони, в които две спин-поляризирани електронни състояния непрекъснато се пресичат, без да образуват енергийна празнина. Тези линии не са изолирани точки на пресичане; те преминават през импулсното пространство вътре в кристала, създавайки бързи топологично защитени носители на заряд.

Уникална характеристика на кобалта е, че неговите възлови линии първоначално са спиново поляризирани. Тъй като феромагнетизмът нарушава симетрията по отношение на обръщането на времето, електронните състояния, формиращи тези линии, носят получената спинова ориентация. Чрез промяна на посоката на намагнитване на материала може да се контролира изцяло спиновата поляризация, което открива пътя към директен магнитен контрол на носителите на заряд – ключово изискване за спинтронните технологии.

В определени посоки в кристала възловите линии се пресичат и преминават през енергията на Ферми, където електроните могат да се движат свободно. В близост до тези пресечни точки електроните се държат като релативистични частици без маса, подобни на светлината, и могат да се движат изключително бързо. Подобно поведение никога досега не е наблюдавано в елементарните феромагнити.

Практическото значение на откритието се състои във възможността за включване и изключване на топологичните свойства: чрез промяна на посоката на магнитното поле може или да се отвори процеп в точката на пресичане, или напълно да се контролира спиновата структура на възловите линии, като се запазят уникалните свойства на състоянието без процеп. Тази функционалност се счита за изключително търсена в практиката.

Авторите предполагат, че подобни топологични характеристики могат да съществуват и в други елементарни и преходни феромагнити.