Физики обнаружили ранее неизвестные квантовые свойства у кобальта – одного из самых изученных магнитных металлов. Международная группа исследователей под руководством доктора Хайме Санчеса-Барриги из Центра материалов и энергии имени Гельмгольца в Берлине выяснила, что этот элемент обладает сложной сетью топологических электронных состояний, которые остаются стабильными даже при комнатной температуре. Открытие, результаты которого опубликованы в журнале «Communications Materials», может изменить подходы к разработке электроники нового поколения и устройств спинтроники.
Для детального изучения электронной структуры кобальта авторы работы использовали метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением на синхротроне BESSY II. Измерения выявили в металле плотную сеть магнитных узловых линий – особых пересечений зон, в которых два спин-поляризованных электронных состояния непрерывно пересекаются без образования энергетической щели. Эти пересечения тянутся через все импульсное пространство кристалла, обеспечивая существование стабильных и быстрых носителей заряда.
По словам исследователей, вблизи этих узловых линий электроны ведут себя подобно безмассовым релятивистским частицам, перемещаясь с экстремально высокой скоростью, сопоставимой со скоростью света. Поскольку кобальт является ферромагнетиком, данные электронные состояния обладают чистой спиновой поляризацией. Направление этой поляризации можно полностью изменить, варьируя направление намагниченности самого материала. Подобный механизм прямого магнитного управления носителями заряда отсутствует в немагнитных материалах.
Экспериментальные результаты были подтверждены теоретическими расчетами на основе теории функционала плотности, выполненными учеными из Международного физического центра в Доностии и Шербрукского университета. Расчеты показали, что узловые линии защищены зеркальной симметрией кристаллической решетки в сочетании с ферромагнетизмом и сохраняются даже с учетом спин-орбитального взаимодействия. Возможность управлять этими состояниями с помощью внешнего магнитного поля открывает перспективы для создания переключателей нового типа, контролирующих одновременно и заряд, и спин электрона. Авторы работы полагают, что аналогичные скрытые топологические свойства могут быть обнаружены и у других классических ферромагнитных металлов.