«Кобальт — один из наиболее известных и широко изученных ферромагнитных элементов за последние 40 лет, и считалось, что его электронная структура хорошо известна, — сказал Хайме Санчес-Баррига из Берлиинского центра материалов и энергии им. Гельмгольца, руководитель исследования. — Однако мы обнаружили топологически интересную зонную структуру с многочисленными пересечениями и узлами, которые доминируют в его низкоэнергетическом электронном поведении. Это полностью меняет наше нынешнее понимание фундаментальных свойств этого элементарного материала».

Воспользовавшись синхротроном BESSY II для спиновой фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, ученые обнаружили в кобальте переплетающиеся энергетические зоны, которые пересекаются вдоль протяженных траекторий в определенных кристаллографических направлениях. Эти особенности сохраняются при комнатной температуре, что делает их доступными для практического использования, пишет Scitech Daily.

Главным открытием стала плотная сеть магнитных узловых линий — топологических пересечений зон, где два спин-поляризованных электронных состояния непрерывно пересекаются без образования энергетической щели. Эти линии — не изолированные точки пересечения; они проходят через импульсное пространство внутри кристалла, создавая быстрые топологически защищенные носители заряда.

Уникальная особенность кобальта в том, что его узловые линии изначально спин-поляризованы. Поскольку ферромагнетизм нарушает симметрию относительно обращения времени, электронные состояния, формирующие эти линии, несут результирующую ориентацию спина. Меняя направление намагниченности материала, можно целиком контролировать спиновую поляризацию, что открывает путь к прямому магнитному управлению носителями заряда — ключевому требованию для спинтронных технологий.

В определенных направлениях внутри кристалла узловые линии пересекаются и проходят через энергию Ферми, где электроны могут двигаться свободно. Вблизи этих пересечений электроны ведут себя как безмассовые релятивистские частицы, подобно свету, и могут перемещаться чрезвычайно быстро. Такое поведение никогда ранее не наблюдалось в элементарных ферромагнетиках.

Практическая значимость открытия заключается в возможности включать и выключать топологические свойства: изменяя направление магнитного поля, можно либо открыть щель в точке пересечения, либо полностью контролировать спиновую текстуру узловых линий, сохраняя уникальные свойства безщелевого состояния. Эта функциональность считается востребованной на практике.

Авторы предполагают, что подобные топологические особенности могут существовать и в других элементарных и переходных ферромагнетиках.

Команда ученых из Японии совершила прорыв в понимании коллективного поведения квантовых спинов, экспериментально доказав, что фундаментальная роль эффекта Кондо — одного из ключевых явлений в физике конденсированного состояния — напрямую зависит от размера спина.