Ученые открыли скрытый квантовый мир внутри кобальта

Ученые обнаружили, что кобальт, один из самых изученных ферромагнитных металлов, скрывает в своей электронной структуре сложный квантовый мир. Международная группа исследователей под руководством доктора Хайме Санчеса-Барриги из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) выявила в кобальте сеть топологических электронных состояний, стабильных даже при комнатной температуре. Это открытие бросает вызов устоявшимся представлениям о свойствах металла и открывает новые перспективы для электроники и спинтроники.

Используя метод спиновой и угловой фотоэмиссионной спектроскопии (spin-ARPES) на синхротронном источнике BESSY II, ученые обнаружили в кобальте плотную сеть магнитных узловых линий — особых топологических пересечений зон, где два спин-поляризованных электронных состояния непрерывно пересекаются, не образуя энергетической щели. Эти пересечения простираются вдоль путей в импульсном пространстве по всему кристаллу, создавая носители заряда, которые могут двигаться с высокой скоростью и устойчивы к внешним воздействиям.

«Кобальт — один из самых знакомых и тщательно изученных ферромагнитных элементов за последние 40 лет, и считалось, что его электронная структура хорошо понятна. Однако мы обнаружили топологически интересную зонную структуру с многочисленными пересечениями и узлами, которые доминируют в его низкоэнергетическом электронном поведении. Это полностью меняет наше нынешнее понимание фундаментальных свойств этого элементарного материала», — говорит доктор Хайме Санчес-Баррига.

Ключевая особенность обнаруженных узловых линий — их спиновая поляризация, которую можно полностью изменить, варьируя направление намагниченности материала. Это обеспечивает прямой магнитный контроль над носителями заряда, что крайне важно для спинтронных технологий и недоступно в немагнитных материалах с узловыми линиями.

Теоретические расчеты, выполненные под руководством доктора Майи Верньори, подтвердили экспериментальные данные. Анализ показал, что узловые линии защищены кристаллическими зеркальными симметриями в сочетании с ферромагнетизмом и остаются безщелевыми даже с учетом спин-орбитального взаимодействия.

«В определенных направлениях внутри кристалла узловые линии пересекаются и пересекают энергию Ферми, где электроны могут свободно двигаться. Вблизи этих пересечений электроны ведут себя как безмассовые, релятивистские частицы, подобно тому, как ведет себя свет, и могут двигаться чрезвычайно быстро. Это исключительное поведение, которое никогда не наблюдалось ни в одном элементарном ферромагнетике. Более того, изменяя направление магнитного поля, можно либо открыть щель в точке пересечения, либо полностью контролировать спиновую текстуру узловых линий, сохраняя уникальные свойства безщелевого состояния. Это именно та функциональность включения-выключения, которая требуется для практических приложений», — объясняет Санчес-Баррига.

Исследователи полагают, что это открытие может указывать на скрытые топологические особенности и в других элементарных ферромагнетиках, открывая путь к поиску новых квантовых явлений в давно изученных материалах. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Materials.