Kobolt skjulte kvantetilstande, der overlever ved stuetemperatur

Kobolt er en af de grundigst undersøgte magneter på Jorden, den slags grundstof, der fylder lærebøger og dukker op i alt fra batterier til jetmotorer. Fysikere ved Helmholtz-Zentrum Berlin har nu fundet, at det har skjult et tæt net af eksotiske elektroniske tilstande, og at nettet hænger sammen ved stuetemperatur.

Tilstandene kaldes magnetiske nodelinjer. Det er steder, hvor to strømme af elektroner, sorteret efter deres spinretning, krydser hinanden uden at støde sammen og trækker sammenhængende baner gennem krystallen i stedet for at mødes i enkelte punkter. Sådanne egenskaber hører til topologien, den gren af fysikken, der beskriver træk så dybt indskrevet i et materiales struktur, at almindelige forstyrrelser ikke kan slette dem. I kobolt fandt holdet disse krydsninger vævet gennem hele metallet, ikke spærret inde i et sjældent hjørne.

Det slående er ikke kun, at tilstandene findes, men at de overlever varmen i et almindeligt rum. Det meste af den kvanteopførsel, fysikere jagter, viser sig først nær det absolutte nulpunkt, hvor varmen er trukket væk, og skrøbelige effekter endelig kan ses. Koboltens nodelinjer holder ved hundredvis af grader højere, og det er forskellen mellem en laboratoriekuriositet og noget, en rigtig komponent kunne bruge.

For at se dem brugte forskerne spin- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, en teknik, der med lys slår elektroner ud af et materiale og registrerer både deres energi og deres spinretning. De kørte den ved BESSY II, en synkrotron i Berlin, der frembringer det intense, fint indstillede lys, målingen kræver. Den ekstra opløsning lod dem kortlægge koboltens elektronstruktur langt mere detaljeret end tidligere arbejde, og sådan trådte et net, der var blevet overset i årtier, endelig frem.

“Det er præcis den slags tænd-sluk-funktion, man søger til praktiske anvendelser”, siger Jaime Sánchez-Barriga, der ledede det internationale hold. Fordi tilstandene er knyttet til koboltens magnetisme, kan man styre dem ved at vende retningen på et magnetfelt, et håndtag ingeniører ønsker sig til spintronik, en elektronik, der koder information i elektronens spin frem for dens ladning og lover hurtigere, køligere chips.

Arbejdet er en måling af et materiales egenskaber, ikke en fungerende komponent, og det spring er stort. At kortlægge topologiske tilstande i en krystal under en synkrotronstråle er langt fra at bygge en chip, der udnytter dem i stor skala, og andre grupper må gentage resultatet og afprøve, om effekten holder uden for omhyggeligt forberedte prøver. Forfatterne beskriver kobolt som en indstillelig platform at udforske, ikke en færdig teknologi.

Alligevel ligger en del af tiltrækningen netop i, at kobolt er så almindeligt. Et materiale, der allerede udvindes, raffineres og fremstilles i industriel skala, ville være langt lettere at indføre end de sjældne eller skrøbelige forbindelser, der dominerer kvanteforskningen.

Resultaterne udkom i tidsskriftet Communications Materials. Holdet planlægger at kortlægge, hvordan nodelinjerne reagerer, når magnetfeltet drejes, næste skridt mod at finde ud af, om koboltens skjulte arkitektur kan sættes i arbejde.

Tags: physics