Внутри кобальта обнаружили невидимый квантовый мир

Сорок лет кобальт считался металлом без секретов. Его кристаллическую решётку изучили вдоль и поперёк, магнитные свойства внесли в справочники, и поколения физиков были уверены: этот элемент не преподнесёт сюрпризов. Они ошибались.

Международная группа под руководством Хайме Санчеса-Барриги из Берлинского центра имени Гельмгольца применила метод спиновой и угловразрешённой фотоэмиссионной спектроскопии на синхротронном источнике БЕССИ-II. Это позволило заглянуть в электронную структуру кобальта с беспрецедентной детализацией. То, что учёные увидели, перечеркнуло десятилетия уверенности.

Внутри металла обнаружилась плотная сеть так называемых магнитных узловых линий — особых топологических пересечений, где две спиновополяризованные электронные зоны сходятся непрерывно, не образуя энергетической щели. В отличие от изолированных точек, которые физики находили в других материалах, эти пересечения тянутся вдоль целых путей в пространстве импульсов, пронизывая весь кристалл.

Самый неожиданный результат заключался в том, что эти состояния остаются стабильными при комнатной температуре. Для квантовых явлений, которые обычно требуют глубокого охлаждения, это исключительная редкость.

Поскольку кобальт — ферромагнетик, он нарушает симметрию обращения времени. Это означает, что электронные состояния на узловых линиях несут чистую спиновую поляризацию. И эту поляризацию можно полностью обратить, просто изменив направление намагниченности материала. Иными словами, появляется прямой магнитный контроль над носителями заряда, связанными с узловыми линиями. В немагнитных материалах с узловыми линиями такой возможности нет.

В определённых направлениях внутри кристалла узловые линии пересекаются и переходят через энергию Ферми — уровень, на котором электроны могут двигаться свободно. Вблизи этих пересечений электроны ведут себя подобно безмассовым релятивистским частицам, как свет, и способны перемещаться с огромными скоростями. Ни в одном элементарном ферромагнетике такого поведения ранее не наблюдали.

Изменяя направление магнитного поля, исследователи могут либо открыть щель на пересечении, либо полностью контролировать спиновую текстуру узловых линий, сохраняя уникальные свойства безщелевого состояния. Это прямое включение-выключение — именно то, что инженеры ищут для практических применений.

Теоретическая группа под руководством Майи Г. Вергньори из Доностийского международного физического центра и Шербрукского университета провела расчёты на основе теории функционала плотности. Они идентифицировали все узловые линии в объёмной электронной структуре кобальта и подтвердили, что эти пересечения защищены кристаллографическими зеркальными симметриями, действующими совместно с ферромагнетизмом. Даже при учёте спин-орбитального взаимодействия crossings остаются безщелевыми.

Авторы исследования предполагают, что аналогичные скрытые топологические особенности могут существовать и в других элементарных ферромагнетиках и переходных металлах. Если это подтвердится, физиков ждёт открытие целого спектра неизвестных ранее квантовых явлений в материалах, которые считались изученными досконально.

Предложены и пути дальнейшей настройки свойств: изучение интерфейсов с материалами, содержащими тяжёлые элементы с большим зарядом ядра, а также исследование поведения в пониженных размерностях.

Результаты опубликованы в журнале Communications Materials издательства Nature Portfolio.