Кобальт давно известен как типичный ферромагнетик — вещество, способное сохранять намагниченность без внешнего магнитного поля. Однако международная группа физиков под руководством Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Германия) обнаружила, что электронная структура кобальта устроена гораздо сложнее и интереснее.
Ученые использовали метод спин-разрешенной спектроскопии. Этот метод позволяет одновременно измерять энергию, импульс и спин электронов в материале. Эксперименты показали, что в кобальте существует целая сеть так называемых узловых линий — областей, где электронные зоны пересекаются особым образом. Эти пересечения проходят через весь кристалл непрерывными путями, а не возникают в изолированных точках.
В обычных материалах электроны движутся, имея некоторую эффективную массу. В кобальте вблизи узловых линий электроны ведут себя иначе — они становятся похожи на безмассовые частицы, подобные фотонам света, и могут перемещаться с огромной скоростью. Такое поведение ранее не наблюдалось в простых ферромагнитных металлах. Важно, что эти узловые линии существуют при комнатной температуре, а не только в экстремальных условиях.
Главная особенность кобальта в том, что его узловые линии по своей природе являются спин-поляризованными. Меняя направление намагниченности материала с помощью внешнего магнитного поля, можно полностью переключать эту спиновую поляризацию. Исследователи обнаружили, что, изменяя направление магнитного поля, можно либо открывать энергетическую щель в месте пересечения зон, либо полностью контролировать спиновую текстуру узловых линий, сохраняя их уникальные свойства непрерывных зон.
Результаты исследования, опубликованного в журнале Nature, позволяют предположить, что кобальт — это хорошо регулируемая платформа с потенциальными применениями в будущих информационных технологиях, основанных на магнитных квантовых состояниях. Такая платформа может стать основой для устройств спинтроники, где информация кодируется не зарядом, а спином электронов, что открывает путь к более быстрым и энергоэффективным вычислениям.
Магнитные узловые материалы редки в природе, и в большинстве известных случаев такие пересечения чрезвычайно трудно стабилизировать или контролировать. Исследователи предполагают, что подобные структурные особенности могут существовать и в других металлах, открывая новые возможности для изучения необычных свойств.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что нанолазер сможет в разы снизить энергопотребление компьютеров.
