Durante décadas, o cobalto foi considerado um dos metais magnéticos mais estudados. Sua estrutura cristalina e propriedades básicas foram extensivamente estudadas, levando os cientistas a acreditar que restam poucas surpresas. Mas uma nova investigação revelou que este elemento familiar contém uma paisagem quântica inesperadamente complexa escondida na sua estrutura electrónica.
Uma equipe internacional liderada pelo Dr. Jaime Sánchez-Barriga do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) descobriu que o cobalto contém uma rica rede de estados eletrônicos topológicos que permanecem estáveis mesmo à temperatura ambiente. As descobertas desafiam suposições de longa data sobre o metal e sugerem que ele poderia desempenhar um papel importante nas futuras tecnologias eletrônicas e de spin.
Medições avançadas revelam possibilidades quânticas ocultas
Os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução de spin e ângulo (spin-ARPES) na instalação de radiação síncrotron BESSY II para sondar a estrutura eletrônica do cobalto com detalhes sem precedentes. Suas medições revelaram uma densa rede de linhas nodais magnéticas, que são cruzamentos de bandas topológicas especiais onde dois estados eletrônicos polarizados por spin se cruzam continuamente sem formar uma lacuna de energia.
Em vez de ocorrerem em pontos isolados, estes cruzamentos estendem-se ao longo de caminhos no espaço de momentos através do cristal. Os estados eletrônicos resultantes podem suportar portadores de carga extremamente rápidos e topologicamente estáveis, tornando-os particularmente atraentes para futuras aplicações de tecnologia da informação e spintrônica.
“O cobalto é um dos elementos ferromagnéticos mais conhecidos e amplamente estudados nos últimos 40 anos, e sua estrutura eletrônica foi considerada bem compreendida”, diz o físico do HZB, Dr. Jaime Sánchez-Barriga, que liderou o estudo. “No entanto, o que descobrimos é uma estrutura de banda topologicamente interessante com muitas interseções e junções que dominam o seu comportamento eletrónico de baixa energia. Isto muda completamente a nossa compreensão atual das propriedades fundamentais deste material elementar.”
Controle magnético de estados quânticos
Um dos aspectos mais significativos das linhas com nós recém-descobertas é que elas são intrinsecamente polarizadas por spin. Como o cobalto é ferromagnético e quebra a simetria de reversão do tempo, os estados eletrônicos associados a essas linhas nodais carregam uma polarização líquida de spin.
É importante ressaltar que a polarização do spin pode ser completamente revertida alterando a direção da magnetização do material. Isto proporciona controle magnético direto dos portadores de carga ligados às linhas dos nós, uma capacidade não encontrada em materiais de nós não magnéticos e altamente desejável para tecnologias spintrônicas.
“Os materiais das linhas nodais magnéticas são raros na natureza e, na maioria dos casos conhecidos, tais interseções são extremamente difíceis de estabilizar ou controlar”, explica Sánchez-Barriga. “Portanto, a observação de múltiplas linhas nodais protegidas por simetria em um ferromagneto elementar simples é muito inesperada e estabelece o cobalto como um sistema modelo para estudar a interação entre topologia e magnetismo.”
A teoria confirma os resultados experimentais
As descobertas experimentais foram confirmadas por cálculos iniciais baseados na teoria do funcional da densidade realizados por um grupo teórico liderado pelo Dr. Maia G. Vernieri do Centro Internacional de Física de Danastia e da Universidade de Sherbrooke.
Estes cálculos identificaram com sucesso todas as linhas nodais presentes na estrutura eletrônica do cobalto e mostraram excelente concordância com medições experimentais. A análise confirmou que as linhas nodais são protegidas por simetrias de espelhos cristalinos que funcionam em conjunto com o ferromagnetismo. As interseções também permanecem sem intervalos mesmo quando o acoplamento spin-órbita é levado em consideração.
Os elétrons se comportam como partículas sem massa
“Em certas direções dentro do cristal, as linhas nodais se cruzam e cruzam a energia de Fermi, onde os elétrons são livres para se mover”, explica Sánchez-Barriga. “Perto dessas interseções, os elétrons no material se comportam como partículas relativísticas sem massa, semelhante ao comportamento da luz, e podem se mover extremamente rápido. Este é um comportamento único que nunca foi observado antes em qualquer ferromagneto elementar. Além disso, alterando a direção do campo magnético, pode-se abrir a lacuna na junção ou controlar completamente a textura de rotação das linhas nodais, mantendo as propriedades únicas do estado sem lacunas. Esta é exatamente a funcionalidade liga-desliga que está sendo procurada para aplicações práticas.”
A capacidade de manipular esses estados eletrônicos usando campos magnéticos poderia tornar o cobalto uma plataforma valiosa para o desenvolvimento de futuros dispositivos que dependam do controle de carga e rotação.
Novas oportunidades para magnetismo e materiais quânticos
Além de potenciais aplicações tecnológicas, os pesquisadores acreditam que a descoberta pode apontar para características topológicas ocultas semelhantes em outros ferromagnetos elementares e de metais de transição. Se confirmado, poderá abrir a porta para a descoberta de uma ampla gama de fenômenos quânticos até então desconhecidos em materiais que foram estudados durante décadas.
A equipe também sugeriu várias maneiras de ajustar ainda mais essas propriedades, incluindo a exploração de interfaces com materiais contendo elementos pesados com alta carga nuclear e o estudo de como o comportamento muda em dimensões reduzidas.
Os resultados mostram que mesmo alguns dos materiais mais familiares ainda podem produzir grandes surpresas científicas. A descoberta sugere que a nossa compreensão dos metais ferromagnéticos permanece incompleta e abre novos caminhos para a investigação do magnetismo, da matéria topológica e das excitações invulgares decorrentes destes estados quânticos.
O estudo foi publicado em Materiais de comunicaçãoum periódico de acesso aberto do Nature Portfolio.
O estudo envolveu pesquisadores do HZB, Diamond Light Source, Centro Internacional de Física da Dinamarca, Universidade do País Basco, Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madri) e Universidade de Sherbrooke (Canadá).
