Ученые обнаружили скрытый квантовый мир внутри кобальта

Кобальт считается одним из самых изученных магнитных металлов на Земле. На протяжении десятилетий ученые подробно исследовали его кристаллическую структуру, магнитные свойства и электронное строение, полагая, что этот материал уже не способен преподнести серьезных сюрпризов. Однако новое международное исследование показало, что внутри кобальта скрывается сложный квантовый мир, о существовании которого ранее никто не подозревал. Группа ученых под руководством доктора Хайме Санчеса-Барриги из Центра Гельмгольца в Берлине обнаружила в кобальте обширную сеть особых топологических электронных состояний, сохраняющих устойчивость даже при комнатной температуре.

Результаты работы опубликованы в журнале Communications Materials, входящем в издательскую группу Nature. Открытие может оказаться крайне важным для развития новых поколений вычислительных систем, квантовой электроники и спинтроники — перспективного направления, в котором информация передается не только электрическим зарядом, но и собственным магнитным моментом электрона, известным как спин. Для изучения внутренней структуры кобальта исследователи использовали один из самых современных методов анализа материалов — фотоэлектронную спектроскопию с разрешением по углу и спину электронов.

Эксперименты проводились на крупном синхротронном комплексе BESSY II в Германии. Полученные данные показали наличие в кристалле так называемых магнитных узловых линий. Эти структуры возникают в местах пересечения энергетических зон электронов. В отличие от обычных материалов, где подобные пересечения происходят в отдельных точках, в кобальте они образуют целые линии, проходящие через различные области кристалла. Именно эти узловые линии создают необычные электронные состояния, способные обеспечивать чрезвычайно быстрое движение носителей заряда. Кроме того, такие состояния обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям благодаря своим топологическим свойствам. «Кобальт считается одним из наиболее тщательно исследованных ферромагнитных элементов последних сорока лет. Мы полагали, что его электронная структура хорошо известна.

Однако наши результаты показали наличие множества узлов и пересечений, которые определяют его низкоэнергетическое поведение. Это полностью меняет наше представление о фундаментальных свойствах данного материала», — отметил руководитель исследования доктор Санчес-Баррига. Особенно интересным оказалось то, что обнаруженные состояния напрямую связаны с магнитными свойствами кобальта. Поскольку материал является ферромагнетиком, электроны в узловых линиях обладают выраженной спиновой поляризацией. Ученые выяснили, что направление этой поляризации можно полностью изменить, просто поменяв направление намагничивания образца. Фактически это позволяет управлять квантовыми состояниями материала с помощью магнитного поля.

Подобная возможность считается одной из ключевых задач современной спинтроники. В перспективе она может позволить создавать сверхбыстрые элементы памяти и логические схемы нового поколения, работающие с минимальным энергопотреблением. Для проверки экспериментальных данных исследователи выполнили сложные компьютерные расчеты на основе теории функционала плотности. Теоретическая модель полностью подтвердила существование всех обнаруженных узловых линий и показала отличное совпадение с результатами экспериментов. Особый интерес вызвало поведение электронов вблизи этих квантовых структур.

В определенных направлениях внутри кристалла узловые линии пересекают уровень Ферми — энергетическую границу, определяющую движение электронов в металле. В этих областях электроны начинают вести себя как практически безмассовые частицы. Их движение становится похожим на распространение света или поведение релятивистских частиц высокой энергии. Благодаря этому они способны перемещаться через материал с чрезвычайно высокой скоростью. По словам авторов исследования, ранее подобное поведение никогда не наблюдалось ни в одном элементарном ферромагнитном металле. Еще одним важным преимуществом новой системы является возможность управлять ее состоянием.

Изменяя направление внешнего магнитного поля, ученые могут либо сохранять беззазорное состояние электронов, либо открывать энергетический зазор, фактически включая и выключая определенные квантовые режимы работы материала. Исследователи полагают, что открытие может иметь гораздо более широкие последствия. Если аналогичные скрытые топологические структуры существуют и в других ферромагнитных металлах, это означает, что многие хорошо известные материалы до сих пор хранят нераскрытые квантовые свойства. В будущем команда планирует изучить взаимодействие кобальта с тяжелыми элементами, а также исследовать его свойства в ультратонких структурах и наноматериалах. Работа демонстрирует, что даже материалы, которые наука считает полностью изученными, способны преподносить фундаментальные открытия. Более того, она показывает, что наше понимание магнитных металлов все еще далеко от завершения, а впереди исследователей могут ждать новые неожиданные квантовые явления.

• В Помпеях у жертвы извержения Везувия нашли набор врача
• Биоразнообразие суши растёт вместе с лесным покровом в сельскохозяйственных ландшафтах
• Крупнейшие засухи связаны с упадком древней цивилизации долины Инда
• Полярные сияния смогут увидеть жители 15 штатов США уже этой ночью
• Робот «Лэсси» открыл тысячи гнёзд рыб под антарктическим льдом
• Учёные раскрыли, что происходит под загадочным вулканом Олдоиньо-Ленгаи в Танзании
• Исследование «Глобальное бремя болезней»: смертность в мире снижается, но среди молодежи — растет, а неравенство в здравоохранении усиливается
• От символа элиты до царской эмблемы: как мотив пальметты изменил своё значение в Иудее эпохи железа