O elemento cobalto apresenta propriedades surpreendentes

O cobalto é um ferromagneto elementar, e as suas propriedades e estrutura cristalina são conhecidas desde há muito. No entanto, uma equipa internacional descobriu agora que o cobalto alberga uma estrutura eletrónica topológica inesperadamente rica que permanece robusta à temperatura ambiente, revelando um novo e surpreendente nível de complexidade quântica neste material. O cobalto é um dos elementos ferromagnéticos mais conhecidos e extensivamente estudados nos últimos 40 anos, e pensava-se que a sua estrutura eletrónica era bem compreendida", afirma o físico do HZB, Dr. Jaime Sánchez-Barriga, que liderou o estudo. No entanto, o que encontramos é uma estrutura de banda topologicamente interessante com numerosos cruzamentos e nós que dominam o seu comportamento eletrónico de baixa energia. Isto altera completamente a nossa compreensão atual das propriedades fundamentais deste material elementar".

Spin-ARPES no BESSY II

Utilizando a espetroscopia de fotoemissão resolvida em spin e em ângulo (spin-ARPES) na fonte de radiação sincrotrónica BESSY II, os investigadores descobriram uma densa rede das chamadas linhas nodais magnéticas - cruzamentos de bandas topológicas em que dois estados electrónicos spin-polarizados se intersectam continuamente sem abrir um intervalo de energia. Estes cruzamentos formam caminhos alargados no espaço de momento dentro da massa do cristal e dão origem a portadores de carga rápidos e topologicamente robustos, que são essenciais para o desenvolvimento de novas funcionalidades de dispositivos em futuras tecnologias baseadas na informação e no spin.

Uma caraterística fundamental das linhas nodais do cobalto é o facto de serem intrinsecamente spin-polarizadas. Uma vez que a simetria de inversão do tempo é quebrada, os estados electrónicos que formam as linhas nodais transportam uma polarização de spin líquida que pode ser totalmente invertida mudando a direção da magnetização. Isto proporciona um controlo magnético direto sobre os portadores de carga associados - um ingrediente essencial para aplicações spintrónicas que está completamente ausente em materiais não magnéticos de linhas nodais.

O cobalto como sistema modelo

Os materiais magnéticos de linha nodal são raros na natureza e, na maioria dos casos conhecidos, é extremamente difícil estabilizar ou controlar esses cruzamentos", explica Sánchez-Barriga. A observação de múltiplas linhas nodais protegidas por simetria num ferromagneto elementar simples é, portanto, altamente inesperada e estabelece o cobalto como um sistema modelo para estudar a interação entre topologia e magnetismo.

Os dados experimentais ajustam-se bem à DFT

As observações experimentais são apoiadas por cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade, efectuados por uma equipa teórica chefiada pela Dra. Maia G. Vergniory (Centro Internacional de Física de Donostia e Universidade de Sherbrooke). O forte poder preditivo destes cálculos reside na sua capacidade de identificar de uma só vez todas as linhas nodais na estrutura de banda calculada. Os cálculos mostram uma excelente concordância com as medições e confirmam que as linhas nodais no cobalto são protegidas por simetrias de espelho cristalino combinadas com ferromagnetismo. É importante notar que os cruzamentos permanecem sem intervalos mesmo na presença de acoplamento spin-órbita.

A comutação é possível

Em certas direcções no interior do cristal, as linhas nodais cruzam-se e atravessam a energia de Fermi, onde os electrões se podem mover livremente", explica Sánchez-Barriga. Perto destes cruzamentos, os electrões no material comportam-se como partículas relativistas sem massa, semelhantes ao comportamento da luz, e podem viajar extremamente depressa. Trata-se de um comportamento excecional que nunca foi observado em nenhum ferromagneto elementar. Além disso, ao mudar a direção do campo magnético, é possível abrir uma fenda no cruzamento ou controlar totalmente a textura de spin das linhas nodais, mantendo as propriedades únicas do estado sem fendas. Este é exatamente o tipo de funcionalidade de ligar/desligar que se procura para aplicações práticas".

Para além das suas implicações tecnológicas, os autores sugerem que podem existir caraterísticas topológicas semelhantes noutros ferromagnetos elementares e de metais de transição, abrindo novas oportunidades para descobrir propriedades exóticas nestes materiais. Propõem também formas de controlar ainda mais estas propriedades, como o estudo de interfaces com materiais com elevada carga nuclear ou a exploração dos efeitos da dimensionalidade reduzida.

Grandes aprendizagens

A descoberta demonstra que a nossa compreensão atual dos metais ferromagnéticos não estava completa. Mostra que mesmo os materiais magnéticos mais familiares podem surpreender-nos ao albergarem estados quânticos ocultos e invulgares, revelando novas e excitantes direcções para a investigação sobre magnetismo, estados topológicos da matéria e suas excitações.