El cobalto presenta propiedades sorprendentes
"Esto cambia por completo nuestra comprensión actual de las propiedades fundamentales de este material elemental"
Anuncios
El elemento cobalto se considera un ferromagneto típico sin más secretos. Sin embargo, un equipo internacional dirigido por el Dr. Jaime Sánchez-Barriga, investigador del HZB, ha descubierto ahora complejas características topológicas en su estructura electrónica. Las medidas de la estructura de bandas con espín resuelto (spin-ARPES) realizadas en BESSY II revelaron la existencia de bandas de energía entrelazadas que se cruzan a lo largo de trayectorias extendidas en direcciones cristalográficas específicas, incluso a temperatura ambiente. Como resultado, el cobalto puede considerarse una plataforma topológica altamente sintonizable e inesperadamente rica, que abre nuevas perspectivas para explotar los estados topológicos magnéticos en las futuras tecnologías de la información.
El cobalto es un ferromagneto elemental cuyas propiedades y estructura cristalina se conocen desde hace tiempo. Sin embargo, un equipo internacional ha descubierto ahora que el cobalto alberga una estructura electrónica topológica inesperadamente rica que se mantiene robusta a temperatura ambiente, revelando un nuevo y sorprendente nivel de complejidad cuántica en este material. El cobalto es uno de los elementos ferromagnéticos más conocidos y estudiados en los últimos 40 años, y se creía que su estructura electrónica se conocía bien", afirma el Dr. Jaime Sánchez-Barriga, físico del HZB que ha dirigido el estudio. Sin embargo, lo que encontramos es una estructura de bandas topológicamente interesante, con numerosos cruces y nodos que dominan su comportamiento electrónico de baja energía. Esto cambia por completo nuestra comprensión actual de las propiedades fundamentales de este material elemental".
Spin-ARPES en BESSY II
Mediante espectroscopia de fotoemisión de espín y ángulo resuelto (spin-ARPES) en la fuente de radiación sincrotrón BESSY II, los investigadores descubrieron una densa red de las llamadas líneas nodales magnéticas, cruces de banda topológicos en los que dos estados electrónicos de espín polarizado se cruzan continuamente sin abrir una brecha energética. Estos cruces forman trayectorias extendidas en el espacio de momento dentro del grueso del cristal y dan lugar a portadores de carga rápidos y topológicamente robustos, esenciales para el desarrollo de nuevas funcionalidades de dispositivos en futuras tecnologías basadas en la información y el espín.
Una característica clave de las líneas nodales del cobalto es que están intrínsecamente polarizadas por el espín. Al romperse la simetría temporal inversa, los estados electrónicos que forman las líneas nodales tienen una polarización neta de espín que puede invertirse completamente cambiando la dirección de magnetización. Esto proporciona un control magnético directo sobre los portadores de carga asociados, un ingrediente esencial para las aplicaciones espintrónicas que está completamente ausente en los materiales de línea nodal no magnéticos.
El cobalto como sistema modelo
Los materiales magnéticos de línea nodal son raros en la naturaleza y, en la mayoría de los casos conocidos, estos cruces son extremadamente difíciles de estabilizar o controlar", explica Sánchez-Barriga. La observación de múltiples líneas nodales protegidas por simetría en un ferromagneto elemental simple es, por tanto, muy inesperada y establece el cobalto como un sistema modelo para estudiar la interacción entre topología y magnetismo".
Los datos experimentales se ajustan bien a la DFT
Las observaciones experimentales se apoyan en cálculos de primeros principios basados en la teoría del funcional de la densidad, realizados por un equipo teórico dirigido por la Dra. Maia G. Vergniory (Donostia International Physics Center y Université de Sherbrooke). El gran poder predictivo de estos cálculos reside en su capacidad para identificar todas las líneas nodales de la estructura de bandas calculada a la vez. Los cálculos muestran una excelente concordancia con las medidas y confirman que las líneas nodales del cobalto están protegidas por simetrías cristalinas en espejo combinadas con ferromagnetismo. Y lo que es más importante, los cruces permanecen vacíos incluso en presencia de acoplamiento espín-órbita.
La conmutación es posible
En determinadas direcciones dentro del cristal, las líneas nodales se cruzan y atraviesan la energía de Fermi, donde los electrones pueden moverse libremente", explica Sánchez-Barriga. Cerca de estos cruces, los electrones del material se comportan como partículas relativistas sin masa, similares al comportamiento de la luz, y pueden viajar extremadamente rápido. Se trata de un comportamiento excepcional que nunca antes se había observado en ningún ferromagneto elemental. Además, cambiando la dirección del campo magnético, es posible abrir una brecha en el cruce o controlar totalmente la textura de espín de las líneas nodales conservando las propiedades únicas del estado sin brecha. Este es exactamente el tipo de funcionalidad de encendido y apagado que se busca para las aplicaciones prácticas".
Más allá de sus implicaciones tecnológicas, los autores sugieren que pueden existir características topológicas similares en otros ferromagnetos elementales y de metales de transición, lo que abre nuevas oportunidades para descubrir propiedades exóticas en estos materiales. También proponen formas de controlar aún más estas propiedades, como estudiar interfaces con materiales que tengan una carga nuclear elevada o explorar los efectos de la dimensionalidad reducida.
Grandes aprendizajes
El descubrimiento demuestra que nuestra comprensión actual de los metales ferromagnéticos no era completa. Demuestra que incluso los materiales magnéticos más conocidos pueden sorprendernos al albergar estados cuánticos ocultos e inusuales, revelando nuevas y apasionantes direcciones para la investigación del magnetismo, los estados topológicos de la materia y sus excitaciones.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
