几十年来，钴被认为是最了解的磁性金属之一。其晶体结构和基本属性已被广泛研究，导致科学家相信几乎没有剩下的惊喜可以发现。但是新的研究揭示了这个熟悉的元素在其电子结构中蕴藏着意想不到的复杂量子景观。由赫尔莫兹中心柏林（HZB）的哈梅·桑切斯-巴里加博士领导的国际团队发现，钴包含一个丰富的拓扑电子态网络，即使在室温下也保持稳定。这些发现挑战了长期以来对这一金属的假设，并建议它可能在未来的电子和自旋基技术中发挥重要作用。高级测量揭示隐藏的量子特征，研究人员在BESSY II同步辐射设施使用自旋-角分辨光电发射光谱（spin-ARPES）以空前的细节检查了钴的电子结构。他们的测量揭示了一个密集的磁性节点线网络，这是特殊的拓扑带交叉点，其中两个自旋极化的电子态连续相交而不会形成能隙。这些交叉并不发生在孤立的点上，而是沿着动量空间中的路径延伸。产生的电子态可以支持极其快速且拓扑稳健的电荷载体，因此对未来的信息技术和自旋电子学应用特别有吸引力。HZB物理学家哈梅·桑切斯-巴里加博士表示：“钴是过去40年来最熟悉和被广泛研究的铁磁元素之一，其电子结构被认为是被很好理解的。然而，我们发现的是一个拓扑上有趣的带结构，具有众多交叉和节点，主导其低能电子行为。这完全改变了我们对这一元素材料基本属性的当前理解。”量子态的磁控，新发现的节点线最显著的方面是它们固有地是自旋极化的。由于钴是铁磁材料并且打破时间反演对称性，与这些节点线相关的电子态带有净自旋极化。重要的是，这种自旋极化可以通过改变材料的磁化方向完全反转。这为与节点线相关的电荷载体提供了直接的磁控制，这种能力在非磁性节点线材料中并不存在，并且对自旋电子技术来说极为渴望。“自然界中磁性节点线材料非常稀少，在大多数已知情况下，这种交叉很难稳定或控制，”桑切斯-巴里加解释道。“因此，在一简单的元素铁磁物质中观察到多个对称性保护的节点线是高度意外的，并确立了钴作为研究拓扑与磁性相互作用模型系统的地位。”理论证实实验结果，实验结果得到了基于密度泛函理论的第一性原则计算的支持，这些计算由来自多诺斯提亚国际物理中心和舍布鲁克大学的马娅·G·维尔尼耶博士领导的理论团队进行。这些计算成功识别了钴的体电子结构中存在的所有节点线，并与实验测量显示出良好的一致性。分析确认节点线受到晶体镜面对称性与铁磁性的共同保护。这些交叉在考虑自旋轨道耦合时也保持无能隙状态。电子行为如无质量粒子“在晶体的某些方向上，节点线相交并穿过费米能量，电子可以自由移动，”桑切斯-巴里加解释道。“在这些交叉附近，材料中的电子行为如同无质量的相对论粒子，类似于光的行为，能够以极快速率移动。这种行为是前所未有的，在任何元素铁磁体中都没有观察到。此外，通过改变磁场的方向，可以在交叉处打开能隙，或者在保留无能隙状态的独特特性的同时，完全控制节点线的自旋纹理。这正是实际应用中所追求的开关功能。”利用磁场操控这些电子状态的能力可能使钴成为开发依赖于控制电荷和自旋的未来设备的有价值的平台。磁性和量子材料的新可能性，除了潜在的技术应用，研究人员认为这一发现可能指向其他元素和过渡金属铁磁体中类似的隐藏拓扑特征。如果得到证实，可能会开启寻找丰富的量子材料的新大门。