Кобальт скрывал квантовые состояния, что выживают при комнатной температуре

Кобальт — один из самых тщательно изученных магнитов на Земле, тот элемент, что заполняет учебники и встречается всюду, от батарей до авиадвигателей. Физики из Гельмгольц-центра в Берлине теперь обнаружили, что он скрывал плотную сеть экзотических электронных состояний и что эта сеть держится при комнатной температуре.

Состояния называются магнитными узловыми линиями. Это места, где два потока электронов, рассортированные по направлению спина, пересекаются, не сталкиваясь, и прочерчивают непрерывные пути сквозь кристалл, а не сходятся в отдельных точках. Такие свойства относятся к топологии — разделу физики, описывающему черты, столь глубоко вписанные в структуру материала, что обычные возмущения не могут их стереть. В кобальте команда нашла эти пересечения вплетёнными во весь металл, а не запертыми в редком уголке.

Поражает не только то, что состояния существуют, но и что они переживают тепло обычной комнаты. Большая часть квантового поведения, за которым гоняются физики, проявляется лишь вблизи абсолютного нуля, где тепло убрано и хрупкие эффекты наконец видны. Узловые линии кобальта сохраняются на сотни градусов выше — а это разница между лабораторным курьёзом и тем, что мог бы использовать реальный прибор.

Рекомендуем к прочтениюСамые тяжёлые чёрные дыры собираются из других чёрных дыр

Чтобы увидеть их, исследователи применили фотоэмиссионную спектроскопию с угловым и спиновым разрешением — методику, которая светом выбивает электроны из материала и фиксирует и их энергию, и направление спина. Они провели её на BESSY II, берлинском синхротроне, дающем интенсивный, тонко настроенный свет, какого требует измерение. Дополнительное разрешение позволило картировать электронную структуру кобальта куда подробнее прежних работ — так сеть, десятилетиями остававшаяся незамеченной, наконец проявилась.

«Это именно та функция включения-выключения, которую ищут для практических приложений», — говорит Хайме Санчес-Баррига, возглавивший международную команду. Поскольку состояния связаны с магнетизмом кобальта, поворот направления магнитного поля позволяет управлять ими — рычаг, который инженеры хотят для спинтроники, электроники, кодирующей информацию в спине электрона, а не в заряде, и обещающей более быстрые и холодные чипы.

Это измерение свойств материала, а не работающий прибор, и разрыв тут велик. Картировать топологические состояния в кристалле под пучком синхротрона — далеко не то же самое, что построить чип, использующий их в масштабе, и другим группам предстоит воспроизвести результат и проверить, держится ли эффект вне тщательно подготовленных образцов. Авторы описывают кобальт как настраиваемую платформу для изучения, а не как готовую технологию.

И всё же отчасти привлекательность именно в том, что кобальт так обычен. Материал, который уже добывают, очищают и производят в промышленном масштабе, внедрить было бы куда легче, чем редкие или хрупкие соединения, господствующие в квантовых исследованиях.

Результаты вышли в журнале Communications Materials. Команда намерена картировать, как узловые линии откликаются при повороте магнитного поля, — следующий шаг к тому, чтобы понять, можно ли заставить скрытую архитектуру кобальта работать.

Теги: physics

Похожие материалы

Год приёма препарата отсрочил ревматоидный артрит на четыре года у людей из группы риска

Чёрная дыра J1007+3540 проснулась после 100 миллионов лет тишины

«Уэбб» нашёл галактику в несколько раз массивнее Млечного Пути, которая почти не вращается

Физики обратили направление потока энергии в турбулентности, согнув 80-летнее правило

Галактика Бесконечность: Космическое столкновение, формирующее новое понимание происхождения чёрных дыр

James Webb построил карту 164 000 галактик и раскрыл космическую паутину раннего мира