L'elemento cobalto presenta proprietà sorprendenti
"Questo cambia completamente la nostra attuale comprensione delle proprietà fondamentali di questo materiale elementare"
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L'elemento cobalto è considerato un tipico ferromagnete senza ulteriori segreti. Tuttavia, un team internazionale guidato dal ricercatore dell'HZB Dr. Jaime Sánchez-Barriga ha ora scoperto complesse caratteristiche topologiche nella sua struttura elettronica. Le misure della struttura a bande risolte in spin (spin-ARPES) effettuate presso BESSY II hanno rivelato bande energetiche aggrovigliate che si incrociano lungo percorsi estesi in specifiche direzioni cristallografiche, anche a temperatura ambiente. Di conseguenza, il cobalto può essere considerato una piattaforma topologica altamente sintonizzabile e inaspettatamente ricca, aprendo nuove prospettive per lo sfruttamento degli stati topologici magnetici nelle future tecnologie dell'informazione.
Il cobalto è un ferromagnete elementare e le sue proprietà e la sua struttura cristallina sono note da tempo. Tuttavia, un team internazionale ha ora scoperto che il cobalto ospita una struttura elettronica topologica inaspettatamente ricca che rimane robusta a temperatura ambiente, rivelando un nuovo sorprendente livello di complessità quantistica in questo materiale. Il cobalto è uno degli elementi ferromagnetici più noti e ampiamente studiati negli ultimi 40 anni e si pensava che la sua struttura elettronica fosse ben compresa", spiega il dottor Jaime Sánchez-Barriga, fisico dell'HZB, che ha guidato lo studio. Tuttavia, abbiamo trovato una struttura a bande topologicamente interessante, con numerosi incroci e nodi che dominano il suo comportamento elettronico a bassa energia. Questo cambia completamente la nostra attuale comprensione delle proprietà fondamentali di questo materiale elementare".
Spin-ARPES a BESSY II
Utilizzando la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo (spin-ARPES) presso la sorgente di radiazione di sincrotrone BESSY II, i ricercatori hanno scoperto una fitta rete di cosiddette linee nodali magnetiche, incroci topologici di bande in cui due stati elettronici spin-polarizzati si intersecano continuamente senza aprire un gap energetico. Questi incroci formano percorsi estesi nello spazio di quantità di moto all'interno della massa del cristallo e danno origine a portatori di carica veloci e topologicamente robusti, essenziali per lo sviluppo di nuove funzionalità dei dispositivi nelle future tecnologie basate sull'informazione e sugli spin.
Una caratteristica fondamentale delle linee nodali nel cobalto è che sono intrinsecamente spin-polarizzate. Poiché la simmetria di inversione temporale è rotta, gli stati elettronici che formano le linee nodali portano una polarizzazione netta di spin che può essere completamente invertita cambiando la direzione della magnetizzazione. Ciò fornisce un controllo magnetico diretto sui portatori di carica associati, un ingrediente essenziale per le applicazioni spintroniche che è completamente assente nei materiali non magnetici a linee nodali.
Il cobalto come sistema modello
I materiali magnetici a linea nodale sono rari in natura e nella maggior parte dei casi conosciuti questi incroci sono estremamente difficili da stabilizzare o controllare", spiega Sánchez-Barriga. L'osservazione di linee nodali multiple protette dalla simmetria in un semplice ferromagnete elementare è quindi altamente inaspettata e stabilisce che il cobalto è un sistema modello per studiare l'interazione tra topologia e magnetismo".
I dati sperimentali si adattano bene alla DFT
Le osservazioni sperimentali sono supportate da calcoli di primo principio basati sulla teoria funzionale della densità, eseguiti da un team teorico guidato dalla dott.ssa Maia G. Vergniory (Donostia International Physics Center e Université de Sherbrooke). Il forte potere predittivo di questi calcoli risiede nella loro capacità di identificare contemporaneamente tutte le linee nodali nella struttura a bande calcolata. I calcoli mostrano un eccellente accordo con le misure e confermano che le linee nodali nel cobalto sono protette da simmetrie cristalline speculari combinate con il ferromagnetismo. È importante notare che gli incroci rimangono privi di lacune anche in presenza di accoppiamento spin-orbita.
La commutazione è possibile
In alcune direzioni all'interno del cristallo, le linee nodali si intersecano e attraversano l'energia di Fermi dove gli elettroni possono muoversi liberamente", spiega Sánchez-Barriga. In prossimità di questi incroci, gli elettroni del materiale si comportano come particelle prive di massa, di tipo relativistico, simili a come si comporta la luce, e possono viaggiare con estrema velocità. Si tratta di un comportamento eccezionale che non è mai stato osservato prima in nessun ferromagnete elementare. Inoltre, cambiando la direzione del campo magnetico, è possibile sia aprire una fessura all'incrocio sia controllare completamente la struttura di spin delle linee nodali, mantenendo le proprietà uniche dello stato senza fessura. Questo è esattamente il tipo di funzionalità on-off ricercata per le applicazioni pratiche".
Al di là delle implicazioni tecnologiche, gli autori suggeriscono che caratteristiche topologiche simili potrebbero esistere in altri ferromagneti elementari e di metalli di transizione, aprendo nuove opportunità di scoprire proprietà esotiche in questi materiali. Propongono anche modi per controllare ulteriormente queste proprietà, come lo studio delle interfacce con materiali ad alta carica nucleare o l'esplorazione degli effetti della ridotta dimensionalità.
Grandi risultati
La scoperta dimostra che la nostra attuale comprensione dei metalli ferromagnetici non era completa. Dimostra che anche i materiali magnetici più familiari possono ancora sorprenderci ospitando stati quantistici nascosti e insoliti, rivelando nuove entusiasmanti direzioni di ricerca sul magnetismo, sugli stati topologici della materia e sulle loro eccitazioni.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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