Ferromagnetyk o nieoczekiwanej twarzy
Kobalt w heksagonalnej strukturze zwartej (hcp) od dawna służył jako modelowy przykład prostego magnetyka. Powszechnie sądzono, że jego struktura energetycznych pasm elektronowych została opisana do cna. Najnowsze badania, opublikowane w Communications Materials, kompletnie to założenie obalają. Okazuje się, że ten dobrze znany pierwiastek ma bogatą, topologicznie nietrywialną strukturę.
Czytaj też: Frustracja w materiałach kwantowych czyni cuda. Jej efekt wychodzi daleko poza ściany laboratorium
Kobalt jest jednym z najbardziej znanych i intensywnie badanych pierwiastków ferromagnetycznych w ciągu ostatnich 40 lat, a jego struktura elektronowa była uważana za dobrze zrozumianą. Jednak to, co odkrywamy, to topologicznie interesująca struktura pasmowa z licznymi skrzyżowaniami i węzłami, które dominują w jego niskoenergetycznym zachowaniu elektronowym – tłumaczy Jaime Sánchez-Barriga z Helmholtz-Zentrum Berlin
Do odkrycia wykorzystano zaawansowaną technikę pomiarową: spektroskopię fotoemisyjną z rozdzielczością spinową i kątową (spin-ARPES) w synchrotronie BESSY II. Dzięki niej udało się zajrzeć w elektronową architekturę kobaltu z niespotykaną dotąd dokładnością. Wynik? Zdumiewający obraz przeplatających się pasm tworzących skomplikowane wzory linii węzłowych.
Elektrony naśladujące fotony i sterowanie spinem za pomocą magnesu
Czym są te magnetyczne linie węzłowe? To miejsca, w których pasma elektronowe o przeciwnych spinach przecinają się, nie tworząc przy tym przerwy energetycznej. W kobalcie odkryto całe ich rodziny: od pierścieni węzłowych w kształcie kwiatów po rozciągnięte linie. Najciekawsze jest jednak zachowanie elektronów w ich pobliżu. W pewnych kierunkach wewnątrz kryształu elektrony zaczynają poruszać się jak cząstki pozbawione masy, podobnie jak fotony światła. Osiągają wtedy niezwykle wysokie prędkości. Takie zjawisko nigdy wcześniej nie zostało zaobserwowane w żadnym ferromagnetyku złożonym z pojedynczego pierwiastka. Pomiary ujawniły istnienie dwóch oddzielonych energetycznie linii węzłowych, które mieszczą się w tzw. podpasie spinów mniejszościowych, co ma fundamentalne znaczenie dla ich właściwości.
Odkryte stany topologiczne mają naturalną polaryzację spinową, wynikającą z ferromagnetyzmu kobaltu. Prawdziwym game changerem jest jednak fakt, iż tę polaryzację można w pełni kontrolować. Wystarczy zmienić kierunek namagnesowania materiału. Ta magnetyczna kontrola to esencja potencjalnych zastosowań w spintronice, gdzie nośnikiem informacji jest spin elektronu, a nie tylko jego ładunek. Odwracając zewnętrzne pole magnetyczne, można przełączać materiał między stanem z przerwą energetyczną a stanem bezprzerwowym, sterując jednocześnie teksturą spinową. Tego rodzaju funkcjonalność jest tym, czego inżynierowie poszukują do praktycznych układów.
Przewaga prostoty
Kobalt hcp jest pierwszym znanym pierwiastkiem, który wykazuje takie topologiczne linie węzłowe. To ogromna przewaga nad skomplikowanymi związkami chemicznymi, które często są trudne w syntezie i niestabilne. Kobalt jest łatwo dostępny, tani i występuje w czystej postaci. Jego wysoka temperatura Curie, przekraczająca 1100°C, gwarantuje, że odkryte właściwości są stabilne w warunkach pokojowych. Obliczenia teoretyczne potwierdziły wyniki eksperymentów. Linie węzłowe w kobalcie są chronione przez symetrie kryształu w połączeniu z jego magnetyzmem. To definitywnie klasyfikuje go jako ferromagnetyk topologiczny, w którym transport ładunku dominuje przez spolaryzowane spinowo nośniki typu Weyla.
Czytaj też: Nowy chiński minerał bije rekordy zawartości niklu i kobaltu
Odkrycie stawia przed nauką zupełnie nowe pytania. Jeśli tak dobrze zbadany pierwiastek jak kobalt skrywał tak zadziwiające tajemnice, to co może się znajdować w innych, rzekomo poznanych materiałach? Badacze sugerują, że podobne topologiczne cechy mogą być ukryte w wielu innych ferromagnetykach, zwłaszcza tych przejściowych. Szacuje się, że nawet jedna czwarta wszystkich naturalnych ciał stałych może posiadać nietrywialne topologicznie skrzyżowania pasm. Kobalt dołącza więc do grupy pierwiastkowych systemów, które przypominają, że podstawowe materiały wciąż mogą nas zaskoczyć. Dla przyszłych technologii kwantowych, opartych na manipulacji spinem, kobalt może stać się doskonałą platformą testową. Stabilną, przewidywalną i łatwą w obróbce.