Kobolt dolde kvanttillstånd som överlever vid rumstemperatur

Kobolt är en av de mest grundligt studerade magneterna på jorden, det slags grundämne som fyller läroböcker och dyker upp i allt från batterier till jetmotorer. Fysiker vid Helmholtz-Zentrum Berlin har nu funnit att det har dolt ett tätt nät av exotiska elektroniska tillstånd, och att nätet håller ihop vid rumstemperatur.

Tillstånden kallas magnetiska nodlinjer. Det är platser där två strömmar av elektroner, sorterade efter sin spinnriktning, korsar varandra utan att kollidera och drar kontinuerliga banor genom kristallen i stället för att mötas i enskilda punkter. Sådana egenskaper hör till topologin, den gren av fysiken som beskriver drag så djupt inskrivna i ett materials struktur att vanliga störningar inte kan radera dem. I kobolt fann teamet dessa korsningar invävda genom hela metallen, inte instängda i ett sällsynt hörn.

Det slående är inte bara att tillstånden finns, utan att de överlever värmen i ett vanligt rum. Det mesta av det kvantbeteende fysiker jagar visar sig först nära absoluta nollpunkten, där värmen dragits bort och sköra effekter äntligen syns. Koboltens nodlinjer består hundratals grader högre, och det är skillnaden mellan en laboratoriekuriositet och något en verklig komponent skulle kunna använda.

För att se dem använde forskarna spinn- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, en teknik som med ljus slår ut elektroner ur ett material och registrerar både deras energi och deras spinnriktning. De körde den vid BESSY II, en synkrotron i Berlin som ger det intensiva, finjusterade ljus som mätningen kräver. Den extra upplösningen lät dem kartlägga koboltens elektronstruktur i långt större detalj än tidigare arbeten, och så trädde ett nät som förbisetts i decennier till slut fram.

”Det är precis den sortens på-av-funktion man söker för praktiska tillämpningar”, säger Jaime Sánchez-Barriga, som ledde det internationella teamet. Eftersom tillstånden är knutna till koboltens magnetism kan man styra dem genom att vända riktningen på ett magnetfält, ett handtag ingenjörer vill ha för spinntronik, en elektronik som kodar information i elektronens spinn i stället för dess laddning och lovar snabbare, svalare chip.

Arbetet är en mätning av ett materials egenskaper, inte en fungerande komponent, och det gapet är brett. Att kartlägga topologiska tillstånd i en kristall under en synkrotronstråle är långt från att bygga ett chip som utnyttjar dem i stor skala, och andra grupper måste återskapa resultatet och pröva om effekten håller utanför noggrant preparerade prover. Författarna beskriver kobolt som en justerbar plattform att utforska, inte en färdig teknik.

Ändå ligger en del av lockelsen just i att kobolt är så vanligt. Ett material som redan bryts, raffineras och tillverkas i industriell skala vore långt lättare att införa än de sällsynta eller ömtåliga föreningar som dominerar kvantforskningen.

Resultaten publicerades i tidskriften Communications Materials. Teamet planerar att kartlägga hur nodlinjerna reagerar när magnetfältet vrids, nästa steg mot att förstå om koboltens dolda arkitektur kan sättas i arbete.

Taggar: physics