Durante décadas, o cobalto foi considerado um dos metais magnéticos mais bem compreendidos. Embora a sua estrutura cristalina e propriedades fundamentais tenham sido extensivamente estudadas, os cientistas acreditam que ainda há algumas surpresas por descobrir. Mas uma nova investigação revelou que este material familiar abriga uma paisagem quântica inesperadamente complexa escondida dentro da sua estrutura eletrónica.
Uma equipe internacional liderada pelo Dr. Jaime Sánchez-Bariga do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) descobriu que o cobalto possui uma rica rede de estados eletrônicos topológicos que são estáveis mesmo à temperatura ambiente. As descobertas desafiam suposições de longa data sobre os metais e sugerem que eles podem desempenhar um papel importante nas futuras tecnologias eletrônicas e baseadas em spin.
Medições avançadas revelam propriedades quânticas ocultas
Os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo (spin-ARPES) na instalação de radiação síncrotron BESSY II para examinar a estrutura eletrônica do cobalto com detalhes sem precedentes. Suas medições revelaram uma densa rede de linhas nodais magnéticas, que são cruzamentos de bandas topológicas especiais onde dois estados eletrônicos polarizados por spin se cruzam continuamente sem criar uma lacuna de energia.
Em vez de ocorrerem em pontos discretos, esses cruzamentos se estendem ao longo do caminho espacial do momento através do cristal. Os estados eletrônicos resultantes podem suportar portadores de carga extremamente rápidos e topologicamente robustos, tornando-os particularmente atraentes para futuras aplicações de tecnologia da informação e spintrônica.
“O cobalto é um dos elementos ferromagnéticos mais conhecidos e amplamente estudados nos últimos 40 anos, e sua estrutura eletrônica foi considerada bem compreendida, “disse o físico do HZB, Dr. Jaime Sanchez-Barriga, que liderou o estudo “No entanto, o que encontramos é uma estrutura de banda topologicamente interessante com numerosos cruzamentos e nós que dominam seu comportamento eletrônico de baixa energia. Isso muda completamente nossa compreensão atual das propriedades fundamentais deste material fundamental.”
Controle magnético de estados quânticos
Um dos aspectos mais notáveis das linhas nodais recentemente descobertas é que elas são inerentemente polarizadas por spin. Como o cobalto é ferromagnético e quebra a simetria de reversão do tempo, os estados eletrônicos associados a essas linhas nodais carregam uma polarização líquida de spin.
É importante ressaltar que a polarização do spin pode ser completamente revertida alterando a direção da magnetização do material. Isto proporciona controle magnético direto sobre portadores de carga associados a linhas nodais, uma capacidade que não existe em materiais de linhas nodais não magnéticos e é altamente desejável para tecnologias spintrônicas.
“Os componentes das linhas nodais magnéticas são raros na natureza e, na maioria dos casos conhecidos, tais cruzamentos são extremamente difíceis de estabilizar ou controlar”, explica Sánchez-Barriga. “A observação de múltiplas linhas nodais que preservam a simetria em um ferromagneto elementar simples é, portanto, altamente inesperada e estabelece o cobalto como um sistema modelo para estudar a correlação entre topologia e magnetismo.”
A teoria confirma os resultados experimentais
Os resultados experimentais foram apoiados por cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade realizados por uma equipe teórica liderada pelo Dr. Maia G. Vergniori do Donostia International Physics Center e Université de Sherbrooke.
Estes cálculos identificaram com sucesso todas as linhas nodais presentes na estrutura eletrônica do cobalto e mostraram excelente concordância com medições experimentais. A análise confirmou que as linhas nodais são protegidas pela simetria do espelho cristalino atuando em conjunto com o ferromagnetismo. Os cruzamentos estão vazios mesmo quando o acoplamento spin-órbita é levado em consideração.
Os elétrons se comportam como partículas sem massa
“Em certas direções dentro do cristal, as linhas nodais se cruzam e cruzam a energia de Fermi, onde os elétrons podem se mover livremente”, explica Sánchez-Barriga. “Perto desses cruzamentos, os elétrons do material se comportam como partículas relativísticas sem massa, como a luz se comporta, e podem viajar extremamente rápido. Este é um comportamento excepcional que nunca foi visto antes em qualquer ferromagneto elementar. Além disso, mudando a direção do campo magnético, é possível abrir uma lacuna no cruzamento ou controlar completamente o ponto sem texto enquanto controla completamente o texto. O estado sem intervalo apresenta a funcionalidade liga-desliga procurada para aplicações práticas.
A capacidade de manipular esses estados eletrônicos usando campos magnéticos poderia tornar o cobalto uma plataforma valiosa para o desenvolvimento de dispositivos futuros que dependam do controle de carga e rotação.
Novas possibilidades para magnetismo e matéria quântica
Além de potenciais aplicações tecnológicas, os pesquisadores acreditam que a descoberta pode apontar para propriedades topológicas ocultas semelhantes de outros ferromagnetos elementares e de metais de transição. Se confirmado, isto poderá abrir a porta para a descoberta de uma ampla gama de fenômenos quânticos até então desconhecidos em materiais que têm sido estudados há décadas.
A equipe propôs várias maneiras de ajustar ainda mais essas propriedades, incluindo a investigação da interface com materiais contendo elementos mais pesados com altas cargas atômicas e a exploração de como o comportamento muda em níveis reduzidos.
Os resultados destacam que mesmo alguns dos materiais mais familiares ainda podem produzir grandes surpresas científicas. A descoberta sugere que a nossa compreensão dos metais ferromagnéticos permanece incompleta e revela novas oportunidades para investigação em magnetismo, matéria topológica e as excitações incomuns decorrentes destes estados quânticos.
O estudo foi publicado Ferramentas de comunicaçãoUm periódico de acesso aberto do portfólio Nature.
A pesquisa envolveu pesquisadores do HZB, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, Universidade do País Basco, Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madrid) e Université de Sherbrooke (Canadá).
