Обычный кобальт оказался не таким простым: металл скрывал квантовые свойства десятки лет

Металл, который десятилетиями считался полностью изученным, неожиданно заставил ученых пересмотреть устоявшиеся представления. В его электронной структуре обнаружились скрытые квантовые особенности, способные изменить взгляд на природу ферромагнетизма. Оказалось, что привычный кобальт хранит в себе гораздо более сложную картину, чем предполагалось ранее. Об этом сообщает Communications Materials.

Скрытая топология привычного металла

Кобальт долгое время служил эталоном ферромагнитного материала. Его кристаллическая структура, магнитные свойства и электронное поведение подробно описаны, а сам элемент широко применяется в технике и промышленности. Интерес к фундаментальным свойствам магнетизма в последние годы усилился, особенно после открытия таких явлений, как альтермагнетизм, которые расширяют представления о типах магнитного порядка.

Однако международная команда под руководством физика HZB доктора Хайме Санчеса-Барриги обнаружила в кобальте сложную топологическую зонную структуру. Эксперименты выявили множественные пересечения энергетических зон и узлы, определяющие поведение электронов при низких энергиях. Причём эти особенности сохраняются при комнатной температуре, что делает открытие особенно значимым для возможных прикладных разработок.

"Кобальт — один из самых изученных ферромагнитных элементов, и его электронная структура считалась понятной. Однако мы обнаружили топологически интересную зонную структуру с многочисленными пересечениями и узлами", — говорит физик.

Методика исследования

Для изучения свойств материала ученые использовали спин и углово-разрешённую фотоэмиссионную спектроскопию на синхротроне BESSY II. Этот метод позволяет определить энергию, импульс и спин электронов, формируя детальную картину их распределения в кристалле.

Измерения показали плотную сеть магнитных узловых линий — областей, где спин-поляризованные электронные состояния пересекаются без образования энергетической щели. В отличие от точечных пересечений, такие линии проходят вдоль протяжённых направлений в импульсном пространстве. Похожие прорывы в понимании квантового поведения частиц происходят и в других областях физики, например при создании квантовых коммуникаций, где важна устойчивость состояний к внешним воздействиям.

Возможности управления

Особенность кобальта заключается в том, что его узловые линии спин-поляризованы изначально. Ферромагнетизм нарушает симметрию обращения времени, поэтому электронные состояния обладают определённой ориентацией спина. Изменяя направление намагниченности, можно полностью изменить эту поляризацию и тем самым управлять свойствами носителей заряда.

"Наблюдение множества узловых линий, защищённых симметрией, в простом элементарном ферромагнетике является неожиданным и делает кобальт модельной системой для изучения взаимодействия топологии и магнетизма", — объясняет Санчес-Баррига.

Теоретические расчёты, выполненные методом теории функционала плотности, подтвердили результаты экспериментов. Они показали, что узловые линии защищены зеркальными симметриями кристалла в сочетании с ферромагнетизмом и остаются без разрыва даже с учётом спин-орбитального взаимодействия. В ряде направлений эти линии пересекают уровень Ферми, где электроны способны свободно перемещаться и проявлять свойства, близкие к безмассовым частицам.

Открытие демонстрирует, что даже хорошо известные ферромагнитные металлы могут скрывать необычные квантовые состояния. Кобальт теперь рассматривается как удобная модельная платформа для исследований в области магнетизма и топологических эффектов, что может способствовать развитию спинтронных и квантовых технологий.