科学家在钴这一长期被认为已被完全理解的金属内部，揭示了出乎意料的量子复杂性。先进测量技术显示，其中存在致密的拓扑电子态网络，且这些状态在室温下依然保持稳健。这些状态能够实现极快的电子行为，并可通过磁性进行切换或控制。这一发现有望为下一代计算和自旋器件开辟新路径。
由柏林亥姆霍兹中心 (HZB) 的 Jaime Sánchez-Barriga 博士领导的一个国际团队发现，钴包含丰富的拓扑电子态网络，即使在室温下也能保持稳定。这些发现挑战了对该金属长期以来的假设，并表明它可能在未来的电子和自旋技术中发挥重要作用。
先进测量揭示隐藏的量子特征
研究人员在 BESSY II 同步辐射装置上利用自旋分辨角分辨光电子能谱，以前所未有的细节检查了钴的电子结构。他们的测量揭示了一个致密的磁性节点线网络，这是一种特殊的拓扑能带交叉，两个自旋极化电子态在此连续相交而不形成能隙。
这些交叉并非发生在孤立的点上，而是沿着晶体内的动量空间路径延伸。由此产生的电子态可以支持极快且拓扑稳健的载流子，使其对未来信息技术和自旋电子学应用具有特别的吸引力。
“钴是过去40年来人们最熟悉且研究最广泛的铁磁元素之一，其电子结构被认为已得到充分理解，”领导该研究的 HZB 物理学家 Jaime Sánchez-Barriga 博士说，“然而，我们发现的是一种拓扑上有意义的能带结构，具有众多的交叉和节点，主导着其低能电子行为。这彻底改变了我们目前对这种元素材料基本属性的理解。”
量子态的磁控
新发现的节点线最重要的方面之一是它们具有内禀自旋极化。由于钴是铁磁性的并且破坏了时间反演对称性，与这些节点线相关的电子态携带净自旋极化。
重要的是，这种自旋极化可以通过改变材料的磁化方向来完全反转。这提供了对与节点线相关的载流子的直接磁性控制，这种能力在非磁性节点线材料中是不存在的，并且对于自旋电子技术来说是非常理想的。
“磁性节点线材料在自然界中很罕见，而且在大多数已知情况下，这种交叉极难稳定或控制，”Sánchez-Barriga 解释道，“因此，在简单的元素铁磁体中观察到多个对称性保护的节点线是非常出乎意料的，这确立了钴作为研究拓扑与磁性之间相互作用的模型系统的地位。”
理论证实实验结果
实验发现得到了由多诺斯蒂亚国际物理中心和舍布鲁克大学的 Maia G. Vergniory 博士领导的理论团队进行的基于密度泛函理论的第一性原理计算的支持。
这些计算成功识别了钴体相电子结构中存在的所有节点线，并与实验测量结果吻合得非常好。分析证实，节点线受到与铁磁性共同作用的晶体镜像对称性的保护。即使考虑到自旋轨道耦合，这些交叉仍然保持无隙状态。
电子表现得像无质量粒子
“在晶体内部的某些方向上，节点线相交并穿过电子可以自由移动的费米能级，”Sánchez-Barriga 解释道，“在这些交叉点附近，材料中的电子表现得像无质量的类相对论性粒子，类似于光的行为，并且可以极快地传播。这是一种例外行为，以前从未在任何元素铁磁体中观察到。此外，通过改变磁场方向，既可以在交叉处打开能隙，也可以在保留无隙态独特性质的同时完全控制节点线的自旋织构。这正是实际应用所寻求的那种开关功能。”
利用磁场操纵这些电子态的能力可能使钴成为开发依赖电荷和自旋控制的未来器件的有价值平台。
磁学和量子材料的新可能性
除了潜在的技术应用外，研究人员认为这一发现可能指向其他元素和过渡金属铁磁体中类似的隐藏拓扑特征。如果得到证实，这可能为在已研究数十年的材料中发现一系列以前未知的量子现象打开大门。
团队还提出了进一步调节这些性质的几种方法，包括研究与含高核电荷数重元素材料的界面，以及探索在低维下行为如何变化。
结果凸显了即使是一些最熟悉的材料仍然可以带来重大的科学惊喜。这一发现表明我们对铁磁金属的理解仍然不完整，并揭示了研究磁学、拓扑物质以及从这些量子态中产生的异常激发的新机遇。
该研究发表在 Nature Portfolio 旗下的开放获取期刊《Communications Materials》上。
该研究涉及来自柏林亥姆霍兹中心 (HZB)、钻石光源、多诺斯蒂亚国际物理中心、巴斯克大学、德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所、德累斯顿工业大学、IMDEA 纳米科学研究所（马德里）和舍布鲁克大学（加拿大）的研究人员。