Durante décadas, el cobalto ha sido considerado uno de los metales magnéticos mejor comprendidos. Si bien su estructura cristalina y sus propiedades fundamentales se han estudiado ampliamente, los científicos creen que aún quedan algunas sorpresas por descubrir. Pero una nueva investigación ha revelado que este material familiar alberga un paisaje cuántico inesperadamente complejo escondido dentro de su estructura electrónica.
Un equipo internacional dirigido por el Dr. Jaime Sánchez-Bariga del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ha descubierto que el cobalto tiene una rica red de estados electrónicos topológicos que son estables incluso a temperatura ambiente. Los hallazgos desafían las suposiciones arraigadas sobre los metales y sugieren que pueden desempeñar un papel importante en las futuras tecnologías electrónicas y basadas en espín.
Las mediciones avanzadas revelan propiedades cuánticas ocultas
Los investigadores utilizaron espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo y espín (Spin-ARPES) en la instalación de radiación sincrotrón BESSY II para examinar la estructura electrónica del cobalto con un detalle sin precedentes. Sus mediciones descubrieron una densa red de líneas nodales magnéticas, que son cruces de bandas topológicas especiales donde dos estados electrónicos polarizados por espín se cruzan continuamente sin crear una brecha de energía.
En lugar de ocurrir en puntos discretos, estos cruces se extienden a lo largo de la trayectoria espacial del momento a través del cristal. Los estados electrónicos resultantes pueden soportar portadores de carga extremadamente rápidos y topológicamente robustos, lo que los hace particularmente atractivos para futuras aplicaciones de espintrónica y tecnología de la información.
“El cobalto es uno de los elementos ferromagnéticos más conocidos y estudiados en los últimos 40 años, y se pensaba que su estructura electrónica se entendía bien”, dijo el físico de HZB Dr. Jaime Sánchez-Barriga, quien dirigió el estudio. “Sin embargo, lo que encontramos es una estructura de bandas topológicamente interesante con numerosos cruces y nodos que dominan su comportamiento electrónico de baja energía. Esto cambia completamente nuestra comprensión actual de las propiedades fundamentales de este material fundamental”.
Control magnético de estados cuánticos.
Uno de los aspectos más notables de las líneas nodales recién descubiertas es que están inherentemente polarizadas por espín. Debido a que el cobalto es ferromagnético y rompe la simetría de inversión del tiempo, los estados electrónicos asociados con estas líneas nodales llevan una polarización de espín neta.
Es importante destacar que la polarización del espín se puede revertir completamente cambiando la dirección de magnetización del material. Esto proporciona un control magnético directo sobre los portadores de carga asociados con las líneas nodales, una capacidad que no existe en materiales de líneas nodales no magnéticos y es muy deseable para las tecnologías espintrónicas.
“Los componentes de las líneas nodales magnéticas son raros en la naturaleza y, en la mayoría de los casos conocidos, estos cruces son extremadamente difíciles de estabilizar o controlar”, explica Sánchez-Barriga. “La observación de múltiples líneas nodales que preservan la simetría en un ferroimán elemental simple es, por lo tanto, muy inesperada y establece el cobalto como un sistema modelo para estudiar la correlación entre topología y magnetismo”.
La teoría confirma los resultados experimentales.
Los resultados experimentales estuvieron respaldados por cálculos de primeros principios basados en la teoría funcional de la densidad realizados por un equipo teórico dirigido por la Dra. Maia G. Vergniori del Centro Internacional de Física de Donostia y la Universidad de Sherbrooke.
Estos cálculos identificaron con éxito todas las líneas nodales presentes en la estructura electrónica masiva del cobalto y mostraron una excelente concordancia con las mediciones experimentales. El análisis confirmó que las líneas nodales están protegidas por la simetría del espejo de cristal que actúa junto con el ferromagnetismo. Los cruces están vacíos incluso cuando se tiene en cuenta el acoplamiento de órbita de giro.
Los electrones se comportan como partículas sin masa.
“En determinadas direcciones dentro del cristal, las líneas nodales se cruzan y cruzan la energía de Fermi donde los electrones pueden moverse libremente”, explica Sánchez-Barriga. “Cerca de estos cruces, los electrones del material se comportan como partículas relativistas sin masa, como se comporta la luz, y pueden viajar extremadamente rápido. Este es un comportamiento excepcional que nunca se ha visto antes en ningún ferroimán elemental. Además, al cambiar la dirección del campo magnético, es posible abrir un espacio en el cruce o controlar completamente el punto sin texto mientras se controla completamente el texto. Las características del estado sin espacios encienden y apagan la funcionalidad buscada para aplicaciones prácticas.
La capacidad de manipular estos estados electrónicos utilizando campos magnéticos podría hacer del cobalto una plataforma valiosa para desarrollar dispositivos futuros que dependan del control tanto de la carga como del espín.
Nuevas posibilidades para el magnetismo y la materia cuántica
Más allá de las posibles aplicaciones tecnológicas, los investigadores creen que el descubrimiento podría apuntar a propiedades topológicas ocultas similares de otros ferroimanes elementales y de metales de transición. Si se confirma, esto podría abrir la puerta al descubrimiento de una amplia gama de fenómenos cuánticos previamente desconocidos en materiales que han sido estudiados durante décadas.
El equipo propuso varias formas de ajustar aún más estas propiedades, incluida la investigación de la interfaz con materiales que contienen elementos más pesados con altas cargas atómicas y la exploración de cómo cambia el comportamiento en niveles reducidos.
Los resultados destacan que incluso algunos de los materiales más familiares pueden producir grandes sorpresas científicas. El descubrimiento sugiere que nuestra comprensión de los metales ferromagnéticos sigue siendo incompleta y revela nuevas oportunidades para la investigación del magnetismo, la materia topológica y las excitaciones inusuales que surgen de estos estados cuánticos.
El estudio fue publicado Herramientas de comunicaciónUna revista de acceso abierto del portafolio de Nature.
En la investigación participaron investigadores de HZB, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, Universidad del País Vasco, Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madrid) y la Universidad de Sherbrooke (Canadá).
