Descubren un mundo cuántico oculto en el cobalto que podría revolucionar la tecnología

Durante décadas, el cobalto ha sido considerado uno de los metales magnéticos mejor comprendidos. Su estructura cristalina y propiedades básicas fueron estudiadas exhaustivamente, llevando a los científicos a creer que quedaban pocas sorpresas por descubrir. Sin embargo, una nueva investigación reveló que este elemento familiar alberga un paisaje cuántico inesperadamente complejo oculto dentro de su estructura electrónica.

Un equipo internacional liderado por el Dr. Jaime Sánchez-Barriga del Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) descubrió que el cobalto contiene una rica red de estados electrónicos topológicos que permanecen estables incluso a temperatura ambiente. Estos hallazgos desafían las suposiciones de larga data sobre el metal y sugieren que podría desempeñar un papel importante en las futuras tecnologías electrónicas y basadas en spin.

Mediciones avanzadas revelan características cuánticas ocultas

Los investigadores utilizaron espectroscopía de fotoemisión resolutiva en spin y ángulo (spin-ARPES) en el acelerador de radiación BESSY II para examinar la estructura electrónica del cobalto con un detalle sin precedentes. Sus mediciones descubrieron una densa red de líneas nodales magnéticas, que son cruces topológicos especiales donde dos estados electrónicos polarizados por spin se intersectan continuamente sin formar un hueco de energía.

En lugar de ocurrir en puntos aislados, estas intersecciones se extienden a lo largo de caminos en el espacio de momento a través del cristal. Los estados electrónicos resultantes pueden soportar portadores de carga extremadamente rápidos y topológicamente robustos, lo que los hace particularmente atractivos para futuras tecnologías de información y aplicaciones de spintrónica.

"El cobalto es uno de los elementos ferromagnéticos más familiares y estudiados en los últimos 40 años, y su estructura electrónica se pensaba bien comprendida", comentó el Dr. Jaime Sánchez-Barriga. "Sin embargo, lo que encontramos es una estructura de bandas topológicamente interesante con numerosas intersecciones y nodos que dominan su comportamiento electrónico a baja energía. Esto cambia completamente nuestra comprensión actual de las propiedades fundamentales de este material elemental."

Control magnético de estados cuánticos

Uno de los aspectos más significativos de las nuevas líneas nodales descubiertas es que son inherentemente polarizadas por spin. Dado que el cobalto es ferromagnético y rompe la simetría de reversión temporal, los estados electrónicos asociados con estas líneas nodales llevan una polarización de spin neta.

Es importante destacar que esta polarización de spin puede ser completamente revertida al cambiar la dirección de la magnetización del material. Esto proporciona un control magnético directo sobre los portadores de carga vinculados a las líneas nodales, una capacidad que no existe en materiales no magnéticos y es altamente deseable para tecnologías de spintrónica.

"Los materiales nodales magnéticos son raros en la naturaleza, y en la mayoría de los casos conocidos, tales cruces son extremadamente difíciles de estabilizar o controlar", explicó Sánchez-Barriga. "La observación de múltiples líneas nodales protegidas por simetría en un simple ferromagneto elemental es, por lo tanto, altamente inesperada y establece al cobalto como un sistema modelo para estudiar la interacción entre topología y magnetismo."

La teoría confirma los resultados experimentales

Los hallazgos experimentales fueron respaldados por cálculos de primeros principios basados en la teoría de funcional de densidad, realizados por un equipo teórico liderado por Dr. Maia G. Vergniory del Donostia International Physics Center y la Universidad de Sherbrooke.

Estos cálculos identificaron con éxito todas las líneas nodales presentes en la estructura electrónica del cobalto y mostraron una excelente concordancia con las mediciones experimentales. El análisis confirmó que las líneas nodales están protegidas por simetrías espejo cristalinas que trabajan junto con el ferromagnetismo. Las intersecciones también permanecen sin hueco incluso cuando se tiene en cuenta el acoplamiento spin-órbita.

Electrones se comportan como partículas sin masa

"En ciertas direcciones dentro del cristal, las líneas nodales se intersectan y cruzan la energía de Fermi donde los electrones pueden moverse libremente", explicó Sánchez-Barriga. "Cerca de estas intersecciones, los electrones en el material se comportan como partículas relativistas sin masa, similar a cómo se comporta la luz, y pueden viajar extremadamente rápido. Este es un comportamiento excepcional que nunca se ha observado en ningún ferromagneto elemental antes. Además, al cambiar la dirección del campo magnético, es posible abrir un hueco en la intersección o controlar completamente la textura de spin de las líneas nodales mientras se mantienen las propiedades únicas del estado sin hueco. Esta es exactamente la funcionalidad de encendido-apagado que se busca para aplicaciones prácticas."

La capacidad de manipular estos estados electrónicos utilizando campos magnéticos podría convertir al cobalto en una plataforma valiosa para desarrollar futuros dispositivos que dependan del control tanto de carga como de spin.

Nuevas posibilidades para el magnetismo y materiales cuánticos

Más allá de las posibles aplicaciones tecnológicas, los investigadores creen que el descubrimiento puede señalar características topológicas ocultas similares en otros ferromagnetos elementales y de transición. Si se confirma, esto podría abrir la puerta a encontrar una amplia gama de fenómenos cuánticos previamente desconocidos en materiales que han sido estudiados durante décadas.

El equipo también propuso varias formas de ajustar aún más estas propiedades, incluyendo la investigación de interfaces con materiales que contengan elementos pesados con alta carga nuclear y explorar cómo cambia el comportamiento en dimensiones reducidas.

Los resultados resaltan cómo incluso algunos de los materiales más familiares pueden seguir produciendo sorpresas científicas importantes. El descubrimiento sugiere que nuestra comprensión de los metales ferromagnéticos sigue siendo incompleta y revela nuevas oportunidades para la investigación en magnetismo, materia topológica y las excitaciones inusuales que emergen de estos estados cuánticos.

El estudio fue publicado en Communications Materials, una revista de acceso abierto del Nature Portfolio.

El estudio involucró a investigadores de HZB, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, Universidad del País Vasco, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madrid) y Universidad de Sherbrooke (Canadá).