科學家發現隱藏在鈷中的量子世界

由柏林亥姆霍茲中心 (HZB) Jaime Sanchez Pareja 博士領導的國際團隊發現，鈷含有豐富的拓樸電子態網絡，即使在室溫下也能保持穩定。研究結果挑戰了長期以來對這種金屬的假設，並表明它可能在未來的電子和自旋技術中發揮重要作用。

先進的測量揭示隱藏的量子特徵

研究人員在 BESSY II 同步加速器輻射設施中使用自旋角光電子能譜 (spin-ARPES) 以前所未有的細節檢查鈷的電子結構。他們的測量揭示了一個密集的磁節點線網絡，這是一種特殊的拓樸帶交叉，兩個連續極化的電子態相交而不形成能隙。

這些交叉不是發生在孤立的點上，而是沿著動量空間中的路徑延伸到整個晶體。由此產生的電子態可以支援極快且拓樸魯棒的電荷載子，使其對未來資訊科技和自旋電子學應用特別有吸引力。

「鈷是最常見的鐵磁元素之一，在過去 40 年中得到了廣泛的研究，人們認為它的電子結構已得到很好的了解，」領導這項研究的 HZB 物理學家 Jaime Sánchez Pareja 博士說。 “然而，我們發現了一種拓撲上有趣的能帶結構，其中許多結和節點主導了其低能電子行為。這完全改變了我們目前對這種元素材料基本特性的理解。”

量子態的磁控制

新發現的節點線最重要的方面之一是它們本質上是極化的。由於鈷是鐵磁性的並且打破了時間反轉對稱性，因此與這些節點線相關的電子態表現出淨自旋極化。

最重要的是，透過改變材料的磁化方向可以完全反轉自旋極化。這提供了對與節點線相關的電荷載子的直接磁控制，這是非磁性節點線材料中沒有的能力，並且是自旋電子技術非常需要的。

「具有磁節線的材料本質上是罕見的，並且在大多數已知的情況下，這種交叉極難穩定或控制，」Sánchez Parega 解釋道。 “因此，在簡單鐵磁體中觀察到多個對稱保護的節點線在很大程度上是出乎意料的，並將鈷確立為研究拓撲與磁性之間相互作用的模型系統。”

理論證實了實驗結果

實驗結果得到了基於密度泛函理論的第一原理計算的支持，該計算由 Donostia 國際物理中心和舍布魯克大學的 Maya G. Vergniori 博士領導的理論團隊進行。

這些計算成功地識別了鈷的整體電子結構中存在的所有節點線，並與實驗測量結果非常吻合。分析證實，節點線受到與鐵磁性一起作用的晶體鏡像對稱性的保護。即使考慮軌道耦合，交叉點也保持無間隙。

電子的行為就像無質量粒子

「在晶體內部的某些方向上，節點線與電子可以自由移動的費米能量相交，」Sánchez Pareja 解釋道。 「在這些交叉點附近，材料中的電子表現為無質量、類似相對論的粒子，類似於光的行為方式，並且可以非常快速地傳播。這是以前在任何元素鐵磁體中從未觀察到的特殊行為。此外，透過改變磁場的方向，可以在交叉點處打開間隙或完全控制進程線的旋轉紋理，同時保留無間隙狀態的獨特性。

使用磁場操縱這些電子狀態的能力可以使鈷成為開發依賴控制電荷和自旋的未來設備的寶貴平台。

磁性和量子材料的新可能性

除了潛在的技術應用之外，研究人員認為這項發現可能指出其他元素和過渡金屬鐵磁體中類似的隱藏拓撲特徵。如果得到證實，它將為在已經研究了幾十年的材料中發現各種以前未知的量子現像打開大門。

該團隊還提出了幾種進一步微調這些特性的方法，包括檢查與含有高核電荷重元素的材料的介面，以及探索在較低維度下行為如何變化。

研究結果強調，即使是一些最著名的材料仍然可以產生重大的科學驚喜。這項發現表明我們對鐵磁金屬的理解仍然不完整，並為研究磁性、拓撲物質以及這些量子態產生的不尋常激發提供了新的機會。

該研究發表於 通訊材料，自然組合的開放取用期刊。

這項研究包括來自 HZB、Diamond Light Source、Donostia 國際物理中心、巴斯克大學、德勒斯登萊布尼茲固態和材料研究所、德勒斯登工業大學、IMDEA Nanoscience（馬德里）和舍布魯克大學（加拿大）的研究人員。