鈷竟然藏著能在室溫下存活的量子態

鈷是地球上被研究得最透徹的磁體之一,是那種填滿教科書、從電池到噴射發動機裡都能見到的元素。德國柏林亥姆霍茲中心(Helmholtz-Zentrum Berlin)的物理學家如今發現,它一直藏著一張由奇異電子態構成的密網,而這張網在室溫下也能維持。

這些狀態被稱為磁性節線。在那裡,依自旋方向分流的兩股電子彼此交叉卻不相撞,沿著晶體描出連續的路徑,而不是在一個個孤立的點上相遇。這類性質屬於拓樸學,即物理學中描述那些深深嵌入材料結構、尋常擾動無法抹去的特徵的分支。在鈷裡,團隊發現這些交叉編織於整塊金屬之中,而非侷限在某個罕見角落。

令人驚訝的不只是這些狀態存在,更在於它們能熬過一間普通房間的溫度。物理學家追逐的大多數量子行為,只有在接近絕對零度、熱量被抽走、脆弱效應才終於顯現的地方才會出現。鈷的節線在高出數百度的溫度下依然存續,這正是實驗室奇觀與真實元件可用之物之間的分別。

為了看見它們,研究者使用了角解析與自旋解析光電子能譜,這是一種用光把電子從材料中打出、同時記錄其能量和自旋方向的技術。他們在柏林的同步輻射光源BESSY II上完成測量,那裡能產生這項測量所需的強而精細調諧的光。更高的解析度讓他們以遠勝以往的細節描繪出鈷的電子結構,一張被忽視了數十年的網由此終於現身。

「這正是實用應用所追求的那種開關功能,」領導這個國際團隊的海梅·桑切斯-巴里加說。由於這些狀態與鈷的磁性相繫,翻轉磁場的方向便能操控它們——這正是工程師為自旋電子學所渴望的把手。自旋電子學把資訊編碼在電子的自旋而非電荷上,並許諾更快、更涼的晶片。

這項工作是對材料性質的測量,而不是一個可運轉的元件,兩者之間相距甚遠。在同步輻射光束下繪製晶體中的拓樸態,離造出能大規模利用它們的晶片還很遠;其他團隊需要重複這一結果,並檢驗該效應在精心製備的樣品之外是否依然成立。作者把鈷描述為一個有待探索、可調節的平台,而非一項已完成的技術。

儘管如此,部分吸引力恰恰在於鈷是如此普通。一種已被開採、精煉並以工業規模製造的材料,要比主宰量子研究的那些稀有或嬌貴的化合物容易採用得多。

相關結果發表於《通訊·材料》(Communications Materials)期刊。團隊計畫繪製磁場轉動時節線如何響應,這是查明鈷的隱藏結構能否被付諸使用的下一步。

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