Durante décadas, o cobalto foi considerado um dos metais magnéticos mais bem compreendidos. Sua estrutura cristalina e propriedades fundamentais foram estudadas extensivamente, levando os cientistas a acreditar que ainda existem poucas surpresas a serem descobertas. Mas novas pesquisas mostram que este elemento familiar esconde uma paisagem quântica inesperadamente complexa na sua estrutura eletrónica.
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 permanece estável 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 propriedades quânticas ocultas
Os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo e spin (spin ARPES) na instalação de radiação síncrotron BESSY II para examinar a estrutura eletrônica do cobalto com detalhes sem precedentes. Suas medições descobriram uma densa rede de linhas nodais magnéticas, um tipo especial de cruzamento de banda topológica no qual dois estados eletrônicos polarizados por spin se cruzam continuamente sem formar uma lacuna de energia.
Essas interseções não ocorrem em pontos isolados, mas se estendem por todo o cristal ao longo de caminhos no espaço de momentos. Os estados eletrônicos resultantes podem suportar portadores de carga extremamente rápidos e topologicamente robustos, tornando-os particularmente atraentes para futuras aplicações de tecnologia da informação e spintrônica.
“O cobalto é um dos elementos ferromagnéticos mais familiares e extensivamente estudados nos últimos 40 anos, e sua estrutura eletrônica foi considerada bem compreendida”, disse o físico do HZB, Dr. Jaime Sánchez-Barriga, que liderou o estudo. “O que descobrimos, no entanto, é uma estrutura de banda topologicamente interessante com um grande número de cruzamentos e nós que dominam o seu comportamento de baixa energia.”
Controle magnético de estados quânticos
Um dos aspectos mais importantes das linhas nodais recém-descobertas é que elas são inerentemente polarizadas por spin. Como o cobalto é ferromagnético e quebra a simetria de reversão do tempo, os estados eletrônicos associados a essas linhas nodais têm polarização de spin líquida.
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 associados às linhas nodais, uma capacidade não presente em materiais de linhas nodais não magnéticas e é altamente desejável para a tecnologia spintrônica.
“Os materiais das linhas nodais magnéticas são raros na natureza e, na maioria dos casos conhecidos, tais cruzamentos são extremamente difíceis de estabilizar ou controlar”, explica Sanchez-Barrega. “A observação de múltiplas linhas nodais protegidas por simetria em um ferromagneto elementar simples é, portanto, altamente inesperada e estabelece o cobalto como um sistema modelo para estudar a interação entre topologia e magnetismo.”
Teoria confirma resultados experimentais
Os resultados experimentais são apoiados por cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade, realizados por uma equipe teórica liderada pelo Dr. Maia G. Vergniory do Centro Internacional de Física de Donostia e da Universidade de Sherbrooke.
Esses cálculos identificaram com sucesso todas as linhas nodais presentes na estrutura eletrônica do cobalto e estavam de acordo com as medições experimentais. A análise confirmou que as linhas nodais são protegidas pela simetria e ferromagnetismo do espelho cristalino. Mesmo levando em consideração o acoplamento spin-órbita, os pontos de cruzamento permanecem sem intervalos.
Os elétrons se comportam como partículas sem massa
“Em certas direções dentro do cristal, as linhas nodais cruzam a energia de Fermi na qual os elétrons podem se mover livremente”, explica Sánchez-Barrega. “Perto dessas interseções, os elétrons no material se comportam como partículas relativísticas sem massa, semelhante ao modo como a luz se comporta, e podem se propagar extremamente rapidamente. Este é um comportamento especial que nunca foi observado antes em qualquer ferromagneto elementar. Além disso, alterando a direção do campo magnético, é possível abrir lacunas nas interseções ou controlar totalmente a função de rotação das linhas nodais, mantendo propriedades práticas para aplicações sem intervalos. “
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 possibilidades em materiais magnéticos e quânticos
Além de potenciais aplicações tecnológicas, os pesquisadores acreditam que a descoberta pode apontar para características topológicas ocultas semelhantes em ferromagnetos de outros elementos e metais de transição. Se confirmado, isto poderá abrir a porta para a descoberta de uma variedade de fenómenos quânticos até então desconhecidos em materiais que têm sido estudados há décadas.
A equipe também propõe várias maneiras de ajustar ainda mais essas propriedades, incluindo o estudo de interfaces com materiais contendo elementos pesados com alta carga nuclear e a exploração de como o comportamento muda em dimensões reduzidas.
As descobertas destacam como mesmo alguns dos materiais mais familiares ainda podem produzir grandes surpresas científicas. A descoberta mostra que nossa compreensão dos metais ferromagnéticos ainda está incompleta e abre novas oportunidades para estudar a matéria magnética, topológica e as excitações incomuns que ocorrem nesses estados quânticos.
O estudo foi publicado em um periódico de acesso aberto do Nature Portfolio.
O estudo envolveu pesquisadores do HZB, Diamond Light Source, Donostia International Center for Physics, Universidade do País Basco, Instituto Leibniz de Estado Sólido e Materiais Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madrid) e Université de Sherbrooke (Canadá).
