Inaspettata complessità quantistica all’interno del cobalto, un metallo che si riteneva da tempo completamente compreso.

Un team internazionale guidato dal dottor Jaime Sánchez-Barriga dell’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha scoperto che il cobalto contiene una ricca rete di stati elettronici topologici che rimangono stabili anche a temperatura ambiente. I risultati mettono in discussione ipotesi consolidate su questo metallo e suggeriscono che potrebbe svolgere un ruolo importante nelle future tecnologie elettroniche e basate sullo spin.

Misurazioni avanzate rivelano caratteristiche quantistiche nascoste

I ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia di fotoemissione risolta in spin e angolo (spin-ARPES) presso l’impianto di radiazione di sincrotrone BESSY II per esaminare la struttura elettronica del cobalto con un dettaglio senza precedenti. Le loro misurazioni hanno rivelato una fitta rete di linee nodali magnetiche, che sono speciali incroci di bande topologiche in cui due stati elettronici polarizzati in spin si intersecano in modo continuo senza formare un gap energetico.

Anziché verificarsi in punti isolati, questi incroci si estendono lungo percorsi nello spazio degli impulsi attraverso tutto il cristallo. Gli stati elettronici risultanti possono supportare portatori di carica estremamente veloci e topologicamente robusti, il che li rende particolarmente interessanti per le future tecnologie dell’informazione e le applicazioni spintroniche.

“Il cobalto è uno degli elementi ferromagnetici più noti e studiati negli ultimi 40 anni, e si pensava che la sua struttura elettronica fosse ben compresa”, afferma il fisico dell’HZB, il dott. Jaime Sánchez-Barriga, che ha guidato lo studio. “Tuttavia, ciò che abbiamo scoperto è 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.”

Controllo magnetico degli stati quantistici

Uno degli aspetti più significativi delle linee nodali appena scoperte è la loro intrinseca polarizzazione di spin. Poiché il cobalto è ferromagnetico e rompe la simmetria di inversione temporale, gli stati elettronici associati a queste linee nodali presentano una polarizzazione di spin netta.

È importante sottolineare che la polarizzazione di spin può essere completamente invertita modificando la direzione della magnetizzazione del materiale. Ciò consente un controllo magnetico diretto sui portatori di carica legati alle linee nodali, una capacità assente nei materiali non magnetici con linee nodali e altamente desiderabile per le tecnologie spintroniche.

“I materiali con linee nodali magnetiche sono rari in natura e, nella maggior parte dei casi noti, tali incroci sono estremamente difficili da stabilizzare o controllare”, spiega Sánchez-Barriga. “L’osservazione di molteplici linee nodali protette dalla simmetria in un semplice ferromagnete elementare è quindi altamente inaspettata e stabilisce il cobalto come sistema modello per studiare l’interazione tra topologia e magnetismo.”

La teoria conferma i risultati sperimentali

I risultati sperimentali sono stati supportati da calcoli di primi principi basati sulla teoria del funzionale della densità, eseguiti da un team teorico guidato dalla Dott.ssa Maia G. Vergniory del Centro Internazionale di Fisica Donostia e dell’Università di Sherbrooke.

Questi calcoli hanno identificato con successo tutte le linee nodali presenti nella struttura elettronica del cobalto e hanno mostrato un’eccellente concordanza con le misurazioni sperimentali. L’analisi ha confermato che le linee nodali sono protette dalle simmetrie di riflessione cristallina che agiscono in sinergia con il ferromagnetismo. Gli incroci rimangono inoltre privi di gap anche tenendo conto dell’accoppiamento spin-orbita.

Gli elettroni si comportano come particelle prive di massa.

“In determinate 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. “Vicino a questi incroci, gli elettroni nel materiale si comportano come particelle prive di massa, di tipo relativistico, in modo simile alla luce, e possono viaggiare a velocità estremamente elevate. Si tratta di un comportamento eccezionale, mai osservato prima in nessun ferromagnete elementare. Inoltre, modificando la direzione del campo magnetico, è possibile aprire un gap in corrispondenza dell’incrocio o controllare completamente la struttura di spin delle linee nodali, mantenendo al contempo le proprietà uniche dello stato senza gap. Questa è esattamente la funzionalità di accensione/spegnimento ricercata per le applicazioni pratiche.”

La capacità di manipolare questi stati elettronici mediante campi magnetici potrebbe rendere il cobalto una piattaforma preziosa per lo sviluppo di futuri dispositivi che si basano sul controllo sia della carica che dello spin.

Nuove possibilità per il magnetismo e i materiali quantistici

Al di là delle potenziali applicazioni tecnologiche, i ricercatori ritengono che la scoperta possa indicare la presenza di caratteristiche topologiche nascoste simili in altri ferromagneti elementari e di metalli di transizione. Se confermata, questa scoperta potrebbe aprire la strada all’individuazione di una vasta gamma di fenomeni quantistici finora sconosciuti in materiali studiati da decenni.

Il team ha inoltre proposto diversi modi per affinare ulteriormente queste proprietà, tra cui lo studio delle interfacce con materiali contenenti elementi pesanti ad alta carica nucleare e l’esplorazione di come il comportamento cambia in dimensioni ridotte.

I risultati evidenziano come anche alcuni dei materiali più familiari possano ancora riservare importanti sorprese scientifiche. La scoperta suggerisce che la nostra comprensione dei metalli ferromagnetici è ancora incompleta e apre nuove opportunità di ricerca sul magnetismo, sulla materia topologica e sulle insolite eccitazioni che emergono da questi stati quantistici.

Lo studio è stato pubblicato su Communications Materials , una rivista ad accesso aperto di Nature Portfolio.

Lo studio ha coinvolto ricercatori dell’HZB, del Diamond Light Source, del Donostia International Physics Center, dell’Università dei Paesi Baschi, del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, della TU Dresden, dell’IMDEA Nanoscience (Madrid) e dell’Université de Sherbrooke (Canada).