Сорок років вивчали його властивості. Вважали, що знають усе до останнього електрона. Але виявилося всередині цього знайомого металу ховалася ціла квантова всесвіт, яку ніхто не помічав.
Мова про кобальт. Магнітний метал із блакитно-сірим відблиском, який людство використовує у літій-іонних батареях, надміцних сплавах для авіації, медичних імплантатах та керамічних пігментах. Хіміки знають його як елемент з атомним номером 27. Фізики десятиліттями вважали його електронну структуру повністю розгаданою. Міжнародна команда на чолі з доктором Хайме Санчес-Баррігою з дослідницького центру Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) зробила відкриття, що повністю змінює уявлення про фундаментальні властивості цього елемента. За допомогою передових методів спектроскопії вони побачили те, що раніше здавалося неможливим: густу мережу топологічних електронних станів, які залишаються стабільними навіть за кімнатної температури.
Чому це важливо? Сучасні комп’ютери наближаються до фізичних меж мініатюризації. Транзистори вже настільки малі, що електрони починають текти крізь ізолятори, не дотримуючись правил. Наука шукає нові способи зберігати та обробляти інформацію і спінтроніка, де біт інформації кодується спіном електрона, а не лише його зарядом, є одним із найперспективніших напрямків. Але для цього потрібні матеріали, у яких можна контролювати квантові стани електронів без надзвичайно низьких температур і громіздкого обладнання. Кобальт, як виявилося, може стати саме таким матеріалом.
Невидима мережа
Дослідники використали спіново-кутову фотоемісійну спектроскопію (spin-ARPES) на синхротроні BESSY II у Берліні. Це обладнання генерує рентгенівське випромінювання з точністю, що дозволяє заглянути в електронну структуру матеріалів із роздільною здатністю, недоступною раніше. Промінь фокусується на зразку кобальту, вибиваючи електрони, які потім аналізують детектори. За формою їхнього розподілу вчені реконструюють карту енергетичних зон.
І саме там, у кристалічній решітці кобальту, вони виявили щось неймовірне.
Мова про магнітні вузлові лінії особливі топологічні перехрестя зон, де два спін-поляризовані електронні стани перетинаються безперервно, не утворюючи енергетичного розриву. На відміну від ізольованих точок, ці перехрестя простягаються шляхами в імпульсному просторі крізь увесь кристал. Результат електронні стани, які можуть підтримувати надшвидкі та топологічно стійкі носії заряду. Вони не розсіюються на дефектах кристала, не руйнуються від теплових коливань і зберігають свої властивості за звичайної кімнатної температури.
«Кобальт один із найвідоміших феромагнітних елементів, який інтенсивно вивчали останні 40 років, і його електронну структуру вважали добре зрозумілою. Однак ми знайшли топологічно цікаву зонну структуру з численними перехрестями та вузлами, які домінують у низькоенергетичній поведінці. Це повністю змінює наше сучасне розуміння фундаментальних властивостей цього елементарного матеріалу».
Ці слова належать доктору Санчес-Барріга, керівнику дослідження. Він працює в HZB одному з провідних європейських центрів дослідження матеріалів, де синхротрон BESSY II щодня обслуговує сотні експериментів із усього світу. Саме тут, у підземних лабораторіях під Берліном, світло з прискорювача часток розкрило секрет, який ховався в атомах кобальту мільярди років.
Електрони, що літають
Одна з найдивовижніших властивостей нововиявлених вузлових ліній полягає в тому, що вони внутрішньо спін-поляризовані. Через те, що кобальт є феромагнітиком і порушує симетрію часу, електронні стани, пов’язані з цими лініями, несуть чистий спіновий поляризаційний заряд. Це означає, що кожен електрон рухається не просто зарядом, а з певним обертанням і це обертання можна контролювати.
Важливо, що спінову поляризацію можна повністю змінити, змінивши напрямок намагніченості матеріалу. Це дає прямий магнітний контроль над носіями заряду, пов’язаними з вузловими лініями можливість, якої не існує в немагнітних матеріалах із вузловими лініями і яка надзвичайно цінна для спінтронних технологій. Уявіть собі жорсткий диск, який записує інформацію в десятки разів швидше, або процесор, що споживає удесятеро менше енергії саме такі перспективи відкриває це відкриття.
«Магнітні матеріали з вузловими лініями рідкісні в природі, і в більшості відомих випадків такі перехрестя надзвичайно важко стабілізувати або контролювати, додає Санчес-Барріга. Спостереження численних симетрієзахищених вузлових ліній у простому елементарному феромагнеті тому є надзвичайно несподіваним і робить кобальт модельною системою для вивчення взаємодії топології та магнетизму».
Перевірка теорією
Експериментальні дані підтвердили теоретичні розрахунки, виконані командою під керівництвом доктора Маї Дж. Верньйорі з Donostia International Physics Center в Сан-Себастьяні та Університету Шербрука в Канаді. Розрахунки на основі теорії функціоналу густини успішно ідентифікували всі вузлові лінії в об’ємній електронній структурі кобальту і продемонстрували відмінну відповідність експериментальним вимірам.
Аналіз підтвердив: вузлові лінії захищені кристалічними дзеркальними симетріями у поєднанні з феромагнетизмом. Перехрестя залишаються без щілини навіть з урахуванням спін-орбітальної взаємодії ефекту, який зазвичай руйнує подібні структури в інших матеріалах. Це стабільність на рівні фундаментальних законів природи, не випадковість і не інженерний трюк.
- Топологічна стійкість електронні стани зберігаються навіть за кімнатної температури та при наявності дефектів кристалічної решітки
- Релятивістська поведінка поблизу перехресть електрони рухаються як безмасові частинки, подібно до фотонів світла, досягаючи надвисоких швидкостей
- Магнітний перемикач зміна напрямку магнітного поля відкриває або закриває енергетичну щілину, створюючи бінарну логіку
- Спіновий контроль можливість керувати обертанням електронів без втрати швидкості передачі сигналу та з мінімальним енергоспоживанням
Швидкість світла всередині металу
«У певних напрямках всередині кристала вузлові лінії перетинаються та перетинають рівень Фермі, де електрони можуть рухатися вільно, пояснює Санчес-Барріга. Поблизу цих перехресть електрони в матеріалі поводяться як безмасові, релятивістські частинки, подібно до того, як поводиться світло, і можуть рухатися надзвичайно швидко. Це виняткова поведінка, яку ніколи раніше не спостерігали в жодному елементарному феромагнеті».
Більше того, змінюючи напрямок магнітного поля, можна або відкрити щілину на перехресті, або повністю контролювати спінову текстуру вузлових ліній, зберігаючи унікальні властивості стану без щілини. Це саме той перемикач «увімкнено-вимкнено», який інженери шукають для практичних застосувань. У традиційній електроніці такий перемикач вимагає зміни напруги. Тут достатньо повернути магнітне поле і система миттєво реагує, не нагріваючись і не втрачаючи енергії на розсіяння.
Здатність маніпулювати цими електронними станами за допомогою магнітних полів може зробити кобальт цінною платформою для розробки майбутніх пристроїв, що покладаються на контроль як заряду, так і спіну. Це відкриває шлях до нового покоління обчислювальних систем, де інформація кодується не лише присутністю або відсутністю електрона, а й напрямком його обертання. Такі пристрої могли б працювати швидше, компактніше та економніше за будь-які сучасні аналоги.
Що далі
Поза потенційними технологічними застосуваннями дослідники вважають, що відкриття може вказувати на подібні приховані топологічні особливості в інших елементарних та перехідних феромагнітних металах. Якщо це підтвердиться, двері відчиняться для пошуку широкого спектра раніше невідомих квантових явищ у матеріалах, які вивчали десятиліттями. Залізо, нікель, кобальт базові елементи періодичної таблиці, з яких складається наша цивілізація. Можливо, кожен із них ховає свої квантові секрети.
Команда також запропонувала кілька шляхів подальшого налаштування цих властивостей. Серед них дослідження меж із матеріалами, що містять важкі елементи з високим зарядом ядра, та вивчення поведінки в умовах зменшених розмірів, наприклад у надтонких плівках товщиною в кілька атомів. Кожен із цих напрямів може привести до нових сюрпризів і нових принципів роботи електроніки.
Результати підкреслюють просту, але глибинну істину: навіть найзнайоміші матеріали здатні давати головні наукові сюрпризи. Наше розуміння феромагнітних металів залишається неповним і це чудова новина для науки, яка завжди шукає глибше.
Дослідження опубліковане у журналі Communications Materials від Nature Portfolio. У роботі взяли участь науковці з HZB, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, Університету Країни Басків, Лейбнізівського інституту досліджень твердих тіл і матеріалів у Дрездені, Технічного університету Дрездена, IMDEA Nanoscience у Мадриді та Університету Шербрука в Канаді.
Кобальт залишався незмінним мільйони років.
Люди вивчали його сорок років.
А він і досі вміє дивувати.
Про автора
