L'élément cobalt présente des propriétés surprenantes
"Cela change complètement notre compréhension actuelle des propriétés fondamentales de ce matériau élémentaire"
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Le cobalt est considéré comme un ferromagnétique typique qui n'a plus de secrets. Cependant, une équipe internationale dirigée par le Dr Jaime Sánchez-Barriga, chercheur au HZB, vient de découvrir des caractéristiques topologiques complexes dans sa structure électronique. Les mesures de la structure des bandes résolues en spin (spin-ARPES) à BESSY II ont révélé des bandes d'énergie enchevêtrées qui se croisent le long de trajectoires étendues dans des directions cristallographiques spécifiques, même à température ambiante. Par conséquent, le cobalt peut être considéré comme une plate-forme topologique hautement accordable et d'une richesse inattendue, ouvrant de nouvelles perspectives pour l'exploitation des états topologiques magnétiques dans les futures technologies de l'information.
Le cobalt est un ferromagnétique élémentaire dont les propriétés et la structure cristalline sont connues depuis longtemps. Cependant, une équipe internationale vient de découvrir que le cobalt héberge une structure électronique topologique d'une richesse inattendue qui reste robuste à température ambiante, révélant ainsi un nouveau niveau surprenant de complexité quantique dans ce matériau. Le cobalt est l'un des éléments ferromagnétiques les plus connus et les plus étudiés au cours des 40 dernières années, et l'on pensait que sa structure électronique était bien comprise", explique le Dr Jaime Sánchez-Barriga, physicien au HZB, qui a dirigé l'étude. Toutefois, nous avons découvert une structure de bande topologiquement intéressante avec de nombreux croisements et nœuds qui dominent son comportement électronique à basse énergie. Cela change complètement notre compréhension actuelle des propriétés fondamentales de ce matériau élémentaire".
Spin-ARPES à BESSY II
En utilisant la spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle (spin-ARPES) à la source de rayonnement synchrotron BESSY II, les chercheurs ont découvert un réseau dense de lignes nodales magnétiques - des croisements de bandes topologiques dans lesquels deux états électroniques polarisés en spin s'entrecroisent continuellement sans ouvrir de lacune énergétique. Ces croisements forment des chemins étendus dans l'espace de quantité de mouvement à l'intérieur de la masse du cristal et donnent naissance à des porteurs de charge rapides et topologiquement robustes, qui sont essentiels pour le développement de nouvelles fonctionnalités de dispositifs dans les futures technologies basées sur l'information et le spin.
Une caractéristique essentielle des lignes nodales du cobalt est qu'elles sont intrinsèquement polarisées en spin. La symétrie de renversement temporel étant rompue, les états électroniques formant les lignes nodales portent une polarisation nette du spin qui peut être entièrement inversée en changeant la direction de l'aimantation. Cela permet un contrôle magnétique direct sur les porteurs de charge associés, un ingrédient essentiel pour les applications de spintronique qui est totalement absent des matériaux à lignes nodales non magnétiques.
Le cobalt comme système modèle
Les matériaux à ligne nodale magnétique sont rares dans la nature et, dans la plupart des cas connus, ces croisements sont extrêmement difficiles à stabiliser ou à contrôler", explique M. Sánchez-Barriga. L'observation de lignes nodales multiples protégées par une symétrie dans un ferromagnétique élémentaire simple est donc tout à fait inattendue et fait du cobalt un système modèle pour l'étude de l'interaction entre la topologie et le magnétisme.
Les données expérimentales s'accordent bien avec la DFT
Les observations expérimentales sont étayées par des calculs de premier principe basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, effectués par une équipe théorique dirigée par Maia G. Vergniory (Centre international de physique de Donostia et Université de Sherbrooke). Le fort pouvoir prédictif de ces calculs réside dans leur capacité à identifier toutes les lignes nodales de la structure de bande calculée en une seule fois. Les calculs montrent un excellent accord avec les mesures et confirment que les lignes nodales du cobalt sont protégées par des symétries cristallines en miroir combinées au ferromagnétisme. Il est important de noter que les croisements ne présentent aucune lacune, même en présence d'un couplage spin-orbite.
La commutation est possible
Dans certaines directions à l'intérieur du cristal, les lignes nodales se croisent et traversent l'énergie de Fermi où les électrons peuvent se déplacer librement", explique M. Sánchez-Barriga. À proximité de ces croisements, les électrons du matériau se comportent comme des particules sans masse et relativistes, à l'instar de la lumière, et peuvent se déplacer extrêmement rapidement. Il s'agit d'un comportement exceptionnel qui n'a jamais été observé auparavant dans un ferromagnétique élémentaire. De plus, en changeant la direction du champ magnétique, il est possible soit d'ouvrir une brèche au niveau du croisement, soit de contrôler entièrement la texture du spin des lignes nodales tout en conservant les propriétés uniques de l'état sans brèche. C'est exactement le type de fonctionnalité de commutation on-off recherché pour les applications pratiques".
Au-delà de ses implications technologiques, les auteurs suggèrent que des caractéristiques topologiques similaires peuvent exister dans d'autres ferromagnétiques élémentaires et à métaux de transition, ce qui ouvre de nouvelles possibilités de découvrir des propriétés exotiques dans ces matériaux. Ils proposent également des moyens de mieux contrôler ces propriétés, notamment en étudiant les interfaces avec des matériaux à forte charge nucléaire ou en explorant les effets de la réduction de la dimensionnalité.
De grandes leçons
La découverte démontre que notre compréhension actuelle des métaux ferromagnétiques n'était pas complète. Elle montre que même les matériaux magnétiques les plus familiers peuvent encore nous surprendre en abritant des états quantiques cachés et inhabituels, révélant ainsi de nouvelles orientations passionnantes pour la recherche sur le magnétisme, les états topologiques de la matière et leurs excitations.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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