O echipă internațională de cercetători a descoperit în cobalt un comportament cuantic neașteptat, într-un metal feromagnetic considerat de decenii drept bine înțeles. Rezultatele arată că acest material obișnuit ascunde stări electronice topologice robuste la temperatura camerei, cu posibile aplicații în calcul, spintronică și dispozitive electronice de mare viteză.
Cercetarea a fost condusă de fizicianul Jaime Sánchez-Barriga, de la Helmholtz-Zentrum Berlin, iar măsurătorile au fost realizate la instalația de radiație sincrotron BESSY II. Echipa a folosit o tehnică avansată numită spectroscopie fotoemisivă rezolvată în spin și unghi, care permite observarea felului în care se comportă electronii în interiorul materialului.
Analiza a scos la iveală un tip rar de structură electronică: în cobalt există trasee continue în care stări electronice cu spin diferit se întâlnesc fără să fie separate de o barieră energetică. În fizică, aceste structuri sunt numite „linii nodale magnetice”. Ele nu apar doar în puncte izolate, ci formează o rețea complexă în interiorul structurii electronice a cristalului.
Descoperirea este importantă tocmai pentru că vine dintr-un material aparent banal. Cobaltul este unul dintre cele mai familiare metale feromagnetice și a fost studiat intens timp de decenii. Potrivit lui Sánchez-Barriga, noua observație schimbă înțelegerea actuală a proprietăților fundamentale ale acestui element, arătând că structura sa electronică este mult mai bogată decât se credea.
Cercetătorii spun că aceste linii nodale sunt polarizate în spin, iar direcția polarizării poate fi inversată prin schimbarea direcției magnetizării cobaltului. Cu alte cuvinte, comportamentul electronilor poate fi controlat magnetic. Această proprietate este relevantă pentru spintronică, un domeniu care încearcă să folosească nu doar sarcina electrică a electronilor, ci și spinul lor, pentru a crea dispozitive mai rapide și mai eficiente.
Sánchez-Barriga a explicat că materialele cu linii nodale magnetice sunt rare, iar în multe cazuri astfel de structuri sunt dificil de stabilizat sau controlat. Faptul că mai multe asemenea linii apar într-un feromagnet elementar, robust la temperatura camerei, este descris de echipă drept foarte neașteptat. Cobaltul ar putea deveni astfel un sistem-model pentru studierea relației dintre topologie și magnetism.
Rezultatele experimentale au fost susținute de calcule teoretice realizate de o echipă condusă de Maia G. Vergniory, de la Donostia International Physics Center și Université de Sherbrooke. Calculele au confirmat existența liniilor nodale în structura electronică a cobaltului și au indicat că acestea sunt protejate de simetrii ale cristalului, în combinație cu feromagnetismul materialului.
În anumite direcții din cristal, aceste linii nodale traversează energia la care electronii participă direct la conducție. În apropierea acestor zone, electronii pot avea un comportament asemănător particulelor fără masă, deplasându-se extrem de rapid prin material. Cercetătorii spun că un asemenea comportament nu a mai fost observat până acum într-un feromagnet elementar.
Echipa mai arată că schimbarea direcției câmpului magnetic poate modifica aceste stări: în unele condiții poate deschide o barieră energetică, iar în altele poate controla textura de spin fără a distruge starea conductivă. Această posibilitate sugerează o funcționalitate de tip „pornit-oprit”, utilă pentru viitoare aplicații practice.
Descoperirea ridică și o întrebare mai largă: dacă un metal atât de studiat precum cobaltul ascunde proprietăți topologice neașteptate, este posibil ca fenomene similare să existe și în alți feromagneți sau metale de tranziție considerate deja bine înțelese. Cercetătorii propun ca următorii pași să includă studierea interfețelor cu materiale mai grele și analiza comportamentului cobaltului în straturi foarte subțiri.
Studiul a fost publicat în Communications Materials, revistă cu acces deschis din portofoliul Nature, și a implicat cercetători de la mai multe instituții, inclusiv Helmholtz-Zentrum Berlin, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, University of the Basque Country, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience și Université de Sherbrooke.
Surse: Science Daily
