Cobaltul ascundea stări cuantice care rezistă la temperatura camerei

Cobaltul este unul dintre cei mai studiați magneți de pe Pământ, genul de element care umple manualele și apare deopotrivă în baterii și în motoarele de avion. Fizicieni de la Helmholtz-Zentrum Berlin au descoperit acum că ascundea o rețea densă de stări electronice exotice și că această rețea se menține la temperatura camerei.

Stările se numesc linii nodale magnetice. Sunt locuri unde două curente de electroni, separate după direcția spinului lor, se încrucișează fără să se ciocnească și trasează căi continue prin cristal, în loc să se întâlnească în puncte izolate. Asemenea proprietăți țin de topologie, ramura fizicii care descrie trăsături atât de adânc înscrise în structura unui material încât perturbațiile obișnuite nu le pot șterge. În cobalt, echipa a găsit aceste încrucișări țesute prin tot metalul, nu limitate la un colț rar.

Ce impresionează nu e doar că stările există, ci că supraviețuiesc căldurii unei camere obișnuite. Cea mai mare parte a comportamentului cuantic pe care fizicienii îl urmăresc apare doar aproape de zero absolut, unde căldura este îndepărtată și efectele fragile pot fi în sfârșit văzute. Liniile nodale ale cobaltului persistă cu sute de grade mai sus, iar asta e diferența dintre o curiozitate de laborator și ceva ce un dispozitiv real ar putea folosi.

Ca să le vadă, cercetătorii au folosit spectroscopia de fotoemisie rezolvată în unghi și în spin, o tehnică ce smulge electroni dintr-un material cu lumină și le înregistrează atât energia, cât și direcția spinului. Au realizat-o la BESSY II, un sincrotron din Berlin care produce lumina intensă și fin reglată pe care o cere măsurătoarea. Rezoluția suplimentară le-a permis să cartografieze structura electronică a cobaltului mult mai detaliat decât lucrările anterioare, și astfel o rețea trecută neobservată decenii la rând a ieșit în sfârșit la iveală.

„Este exact tipul de funcționalitate pornit-oprit căutat pentru aplicații practice”, spune Jaime Sánchez-Barriga, care a condus echipa internațională. Fiindcă stările sunt legate de magnetismul cobaltului, inversarea direcției unui câmp magnetic permite dirijarea lor, o pârghie pe care inginerii o doresc pentru spintronică, o electronică ce codează informația în spinul electronului, nu în sarcină, și promite cipuri mai rapide și mai reci.

Lucrarea este o măsurare a proprietăților unui material, nu un dispozitiv funcțional, iar distanța este mare. Cartografierea stărilor topologice într-un cristal sub un fascicul de sincrotron este departe de a construi un cip care să le exploateze la scară, iar alte grupuri vor trebui să reproducă rezultatul și să testeze dacă efectul rezistă în afara probelor pregătite cu grijă. Autorii descriu cobaltul ca pe o platformă reglabilă de explorat, nu ca pe o tehnologie finită.

Și totuși, o parte din atracție stă tocmai în faptul că este atât de obișnuit. Un material deja extras, rafinat și fabricat la scară industrială ar fi mult mai ușor de adoptat decât compușii rari sau delicați care domină cercetarea cuantică.

Rezultatele au apărut în revista Communications Materials. Echipa intenționează să cartografieze cum răspund liniile nodale când câmpul magnetic este rotit, pasul următor pentru a afla dacă arhitectura ascunsă a cobaltului poate fi pusă la treabă.

Etichete: știri, fizică