Alkuaine koboltilla on yllättäviä ominaisuuksia

Koboltti on alkeisferromagneetti, ja sen ominaisuudet ja kiderakenne ovat olleet tunnettuja jo pitkään.

”Koboltti on yksi tunnetuimmista ja laajimmin tutkituista ferromagneettisista alkuaineista viimeisten 40 vuoden aikana, ja sen elektronisen rakenteen ajateltiin olevan hyvin ymmärretty”, sanoo tutkimusta johtanut HZB:n fyysikko, tohtori Jaime Sánchez-Barriga. ”Löysimme kuitenkin topologisesti mielenkiintoisen vyöhykerakenteen, jossa on lukuisia risteyksiä ja solmukohtia, jotka hallitsevat sen matalaenergistä elektronista käyttäytymistä.

Tämä muuttaa täysin nykyisen ymmärryksemme tämän alkuainemateriaalin perusominaisuuksista.”

Käyttäen spin- ja kulmaerotteista fotoemissiospektroskopiaa (spin-ARPES) BESSY II -synkrotronisäteilylähteessä tutkijat paljastivat tiheän verkoston niin sanottuja magneettisia solmuviivoja – topologisia vyöhykkeitä, joissa kaksi spinpolarisoitua elektronista tilaa leikkautuva jatkuvasti avaamatta energiarakoa.

Nämä risteämät muodostavat pidennettyjä polkuja liikemäärätilassa kiteen sisällä ja synnyttävät nopeita, topologisesti kestäviä varauksenkuljettajia, jotka ovat välttämättömiä uusien piiritoimintojen kehittämiselle tulevaisuuden tieto- ja spin-pohjaisissa teknologioissa.

Koboltin solmuviivojen keskeinen ominaisuus on, että ne ovat luonnostaan spin-polarisoituja. Koska aikakäännössymmetria on rikki, solmuviivoja muodostavilla elektronisilla tiloilla on nettospin-polarisaatio, joka voidaan kääntää täysin päinvastaiseksi vaihtamalla magnetisoitumissuuntaa.

Tämä tarjoaa suoran magneettisen ohjauksen niihin liittyville varauksenkuljettajille – olennainen osa spintronisia sovelluksia, joka puuttuu kokonaan ei-magneettisista solmuviivoista koostuvista materiaaleista.

”Magneettiset solmuviivamateriaalit ovat luonnossa harvinaisia, ja useimmissa tunnetuissa tapauksissa tällaisia risteämiä on erittäin vaikea stabiloida tai hallita”, Sánchez-Barriga selittää. ”Useiden symmetriasuojattujen solmuviivojen havaitseminen yksinkertaisessa alkuaineferromagneetissa on siksi erittäin odottamatonta ja vahvistaa koboltin sopivuutta mallijärjestelmäksi topologian ja magnetismin välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen.”

Teknologisten vaikutusten lisäksi kirjoittajat ehdottavat, että vastaavia topologisia piirteitä saattaa esiintyä muissakin alkuaine- ja siirtymämetalliferromagneeteissa, mikä avaa uusia mahdollisuuksia eksoottisten ominaisuuksien löytämiseen näistä materiaaleista.

Löytö osoittaa, että nykyinen ymmärryksemme ferromagneettisista metalleista ei ollut täydellinen. Se osoittaa, että jopa tutuimmat magneettiset materiaalit voivat yllättää meidät piilotetuilla, epätavallisilla kvanttitiloilla, paljastaen jännittäviä uusia tutkimussuuntia magnetismin, aineen topologisten tilojen ja niiden viritysten alalla.

Aiheesta aiemmin:

Metalli-metalli-sidosmolekyyli avaa uuden tien kvanttilaskentamateriaaleille

Elektronispinien kaksoismomentti vauhdittaa spintroniikkaa

Uusi katalyytti kestävälle vedylle