Kobalt skrywał stany kwantowe, które przetrwają w temperaturze pokojowej

Kobalt jest jednym z najdokładniej zbadanych magnesów na Ziemi, tym rodzajem pierwiastka, który zapełnia podręczniki i pojawia się zarówno w bateriach, jak i w silnikach odrzutowych. Fizycy z Helmholtz-Zentrum Berlin odkryli właśnie, że krył gęstą sieć egzotycznych stanów elektronowych i że sieć ta utrzymuje się w temperaturze pokojowej.

Stany te noszą nazwę magnetycznych linii węzłowych. To miejsca, w których dwa strumienie elektronów, posegregowane według kierunku spinu, krzyżują się bez zderzenia i kreślą ciągłe ścieżki przez kryształ, zamiast spotykać się w pojedynczych punktach. Takie właściwości należą do topologii, gałęzi fizyki opisującej cechy tak głęboko wpisane w strukturę materiału, że zwykłe zaburzenia nie potrafią ich usunąć. W kobalcie zespół znalazł te skrzyżowania wplecione w cały metal, a nie zamknięte w rzadkim zakątku.

Uderza nie tylko to, że stany istnieją, ale że przetrwają ciepło zwykłego pokoju. Większość zachowań kwantowych, które ścigają fizycy, ujawnia się dopiero blisko zera bezwzględnego, gdzie ciepło zostaje odebrane i kruche efekty wreszcie widać. Linie węzłowe kobaltu trwają setki stopni wyżej, a to różnica między laboratoryjną ciekawostką a czymś, co naprawdę mogłoby wykorzystać urządzenie.

Aby je zobaczyć, badacze użyli spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową i spinową, techniki, która światłem wybija elektrony z materiału i zapisuje zarówno ich energię, jak i kierunek spinu. Przeprowadzili ją w BESSY II, berlińskim synchrotronie wytwarzającym intensywne, precyzyjnie dostrojone światło, którego wymaga pomiar. Dodatkowa rozdzielczość pozwoliła odwzorować strukturę elektronową kobaltu znacznie dokładniej niż wcześniejsze prace i tak sieć przeoczana przez dekady wreszcie się ujawniła.

„To dokładnie ten rodzaj funkcji włącz-wyłącz, którego szuka się do praktycznych zastosowań”, mówi Jaime Sánchez-Barriga, który kierował międzynarodowym zespołem. Ponieważ stany są związane z magnetyzmem kobaltu, odwrócenie kierunku pola magnetycznego pozwala nimi sterować, a tej dźwigni inżynierowie pragną dla spintroniki, elektroniki kodującej informację w spinie elektronu, a nie w ładunku, i obiecującej szybsze, chłodniejsze układy.

Praca jest pomiarem właściwości materiału, a nie działającym urządzeniem, i ta przepaść jest szeroka. Odwzorowanie stanów topologicznych w krysztale pod wiązką synchrotronu to daleka droga od zbudowania układu, który wykorzysta je na dużą skalę, a inne grupy będą musiały powtórzyć wynik i sprawdzić, czy efekt utrzyma się poza starannie przygotowanymi próbkami. Autorzy opisują kobalt jako strojalną platformę do badania, a nie gotową technologię.

A jednak część atrakcyjności tkwi właśnie w tym, że kobalt jest tak pospolity. Materiał już wydobywany, rafinowany i wytwarzany na skalę przemysłową byłoby znacznie łatwiej wdrożyć niż rzadkie czy delikatne związki, które dominują w badaniach kwantowych.

Wyniki ukazały się w czasopiśmie Communications Materials. Zespół zamierza odwzorować, jak linie węzłowe reagują na obracanie pola magnetycznego, co będzie kolejnym krokiem do ustalenia, czy ukrytą architekturę kobaltu da się zaprząc do pracy.

Tagi: physics