Kobolt skjulte kvantetilstander som overlever ved romtemperatur

Kobolt er en av de grundigst undersøkte magnetene på jorden, den typen grunnstoff som fyller lærebøker og dukker opp i alt fra batterier til jetmotorer. Fysikere ved Helmholtz-Zentrum Berlin har nå funnet at det har skjult et tett nett av eksotiske elektroniske tilstander, og at nettet henger sammen ved romtemperatur.

Tilstandene kalles magnetiske nodelinjer. Det er steder der to strømmer av elektroner, sortert etter spinnretningen sin, krysser hverandre uten å kollidere og trekker sammenhengende baner gjennom krystallen i stedet for å møtes i enkeltpunkter. Slike egenskaper hører til topologien, den grenen av fysikken som beskriver trekk så dypt innskrevet i et materiales struktur at vanlige forstyrrelser ikke kan viske dem ut. I kobolt fant teamet disse kryssingene vevd gjennom hele metallet, ikke stengt inne i en sjelden krok.

Det slående er ikke bare at tilstandene finnes, men at de overlever varmen i et vanlig rom. Det meste av kvanteatferden fysikere jakter på, viser seg først nær det absolutte nullpunktet, der varmen er trukket bort og skjøre effekter endelig kan ses. Koboltens nodelinjer holder hundrevis av grader høyere, og det er forskjellen mellom en laboratoriekuriositet og noe en virkelig komponent kunne bruke.

For å se dem brukte forskerne spinn- og vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi, en teknikk som med lys slår elektroner ut av et materiale og registrerer både energien og spinnretningen deres. De kjørte den ved BESSY II, en synkrotron i Berlin som lager det intense, finjusterte lyset målingen krever. Den ekstra oppløsningen lot dem kartlegge koboltens elektronstruktur langt mer detaljert enn tidligere arbeider, og slik trådte et nett som var oversett i tiår, endelig frem.

«Det er nettopp den typen på-av-funksjon man søker for praktiske anvendelser», sier Jaime Sánchez-Barriga, som ledet det internasjonale teamet. Fordi tilstandene er knyttet til koboltens magnetisme, kan man styre dem ved å snu retningen på et magnetfelt, et håndtak ingeniører ønsker seg til spintronikk, en elektronikk som koder informasjon i elektronets spinn i stedet for ladningen og lover raskere, kjøligere brikker.

Arbeidet er en måling av et materiales egenskaper, ikke en fungerende komponent, og det gapet er stort. Å kartlegge topologiske tilstander i en krystall under en synkrotronstråle er langt fra å bygge en brikke som utnytter dem i stor skala, og andre grupper må gjenskape resultatet og teste om effekten holder utenfor nøye preparerte prøver. Forfatterne beskriver kobolt som en justerbar plattform å utforske, ikke en ferdig teknologi.

Likevel ligger en del av tiltrekningen nettopp i at kobolt er så alminnelig. Et materiale som allerede utvinnes, raffineres og lages i industriell skala, ville være langt lettere å ta i bruk enn de sjeldne eller skjøre forbindelsene som dominerer kvanteforskningen.

Resultatene kom i tidsskriftet Communications Materials. Teamet planlegger å kartlegge hvordan nodelinjene svarer når magnetfeltet dreies, neste steg mot å finne ut om koboltens skjulte arkitektur kan settes i arbeid.

Tagger: physics