钴竟然藏着能在室温下存活的量子态

钴是地球上被研究得最透彻的磁体之一,是那种填满教科书、从电池到喷气发动机里都能见到的元素。德国柏林亥姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum Berlin)的物理学家如今发现,它一直藏着一张由奇异电子态构成的密网,而这张网在室温下也能维持。

这些状态被称为磁性节线。在那里,按自旋方向分流的两股电子彼此交叉却不相撞,沿着晶体描出连续的路径,而不是在一个个孤立的点上相遇。这类性质属于拓扑学,即物理学中描述那些深深嵌入材料结构、寻常扰动无法抹去的特征的分支。在钴里,团队发现这些交叉编织于整块金属之中,而非局限在某个罕见角落。

令人惊讶的不仅是这些状态存在,更在于它们能熬过一间普通房间的温度。物理学家追逐的大多数量子行为,只有在接近绝对零度、热量被抽走、脆弱效应才终于显现的地方才会出现。钴的节线在高出数百度的温度下依然存续,这正是实验室奇观与真实器件可用之物之间的分别。

为了看见它们,研究者使用了角分辨与自旋分辨光电子能谱,这是一种用光把电子从材料中打出、同时记录其能量和自旋方向的技术。他们在柏林的同步辐射光源BESSY II上完成测量,那里能产生这项测量所需的强而精细调谐的光。更高的分辨率让他们以远胜以往的细节描绘出钴的电子结构,一张被忽视了数十年的网由此终于现身。

“这正是实用应用所追求的那种开关功能,”领导这个国际团队的海梅·桑切斯-巴里加说。由于这些状态与钴的磁性相系,翻转磁场的方向便能操控它们——这正是工程师为自旋电子学所渴望的把手。自旋电子学把信息编码在电子的自旋而非电荷上,并许诺更快、更凉的芯片。

这项工作是对材料性质的测量,而不是一个可运转的器件,二者之间相距甚远。在同步辐射光束下绘制晶体中的拓扑态,离造出能大规模利用它们的芯片还很远;其他团队需要重复这一结果,并检验该效应在精心制备的样品之外是否依然成立。作者把钴描述为一个有待探索、可调节的平台,而非一项已完成的技术。

尽管如此,部分吸引力恰恰在于钴是如此普通。一种已被开采、精炼并以工业规模制造的材料,要比主宰量子研究的那些稀有或娇贵的化合物容易采用得多。

相关结果发表于《通讯·材料》(Communications Materials)期刊。团队计划绘制磁场转动时节线如何响应,这是查明钴的隐藏结构能否被付诸使用的下一步。

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