Topologische Überraschungen beim Element Kobalt

Das Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.

Kobalt ist ein elementarer Ferromagnet, dessen Eigenschaften und Kristallstruktur seit langem bekannt sind. Ein internationales Team hat nun jedoch entdeckt, dass Kobalt eine unerwartet reichhaltige topologische elektronische Struktur aufweist, die auch bei Raumtemperatur stabil bleibt und eine überraschende Quantenkomplexität offenbart. „Kobalt ist eines der bekanntesten und am intensivsten untersuchten ferromagnetischen Elemente der letzten 40 Jahre, und seine elektronische Struktur galt als gut verstanden“, sagt HZB-Physiker Dr. Jaime Sánchez-Barriga, der die Studie leitete. „Was wir jedoch gefunden haben, ist eine topologisch interessante Bandstruktur mit zahlreichen Kreuzungen und Knotenpunkten, die das elektronische Verhalten bei niedrigen Energien dominieren. Unser Verständnis der grundlegenden Eigenschaften dieses elementaren Materials verändert sich dadurch vollständig.“

Spin-ARPES an BESSY II

Mithilfe der spin- und winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (spin-ARPES) an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II entdeckte das Team ein dichtes Netzwerk sogenannter magnetischer Knotenlinien – topologische Bandkreuzungen, bei denen sich zwei spinpolarisierte elektronische Zustände kontinuierlich überschneiden, ohne eine Energielücke zu öffnen. Diese Kreuzungen bilden ausgedehnte Pfade im „Impulsraum“ innerhalb des Kristallvolumens und führen dazu, dass Ladungsträger sich extrem schnell bewegen können. Damit wird Kobalt für die Entwicklung von Bauelementen in künftigen spinbasierten Informationstechnologien interessant.

Kobalt als Modellsystem

„Materialien mit magnetischen Knotenlinien sind in der Natur selten, und in den meisten bekannten Fällen sind solche Kreuzungen extrem schwer zu stabilisieren oder zu kontrollieren. Bisher wurden auch nur wenige Materialien mit solchen Eigenschaften vorhergesagt“, erklärt Sánchez-Barriga. „Dass wir in Kobalt, einem einfachen Ferromagneten, mehrere symmetriegeschützte Knotenlinien beobachten konnten, kam daher höchst unerwartet und etabliert Kobalt als Modellsystem für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Topologie und Magnetismus.“

Experiment und Theorie

Die experimentellen Beobachtungen werden durch First-Principles-Berechnungen mit Dichtefunktionaltheorie gestützt, die vom Team um Dr. Maia G. Vergniory (Donostia International Physics Center und Université de Sherbrooke) durchgeführt wurden. Die Vorhersagekraft dieser Berechnungen liegt in ihrer Fähigkeit, alle Knotenlinien in der berechneten Bandstruktur auf einmal zu identifizieren. Die Berechnungen stimmen hervorragend mit den Messungen überein und bestätigen, dass die Knotenlinien in Kobalt durch kristalline Spiegelsymmetrien in Kombination mit Ferromagnetismus geschützt sind. Wichtig ist, dass die Kreuzungen auch bei Vorhandensein einer Spin-Bahn-Kopplung lückenlos bleiben.

Spintronische Optionen

Die Knotenlinien in Kobalt haben zudem Eigenschaften, die eine direkte magnetische Steuerung der zugehörigen Ladungsträger ermöglichen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für spintronische Anwendungen, die in nichtmagnetischen Knotenlinienmaterialien völlig fehlt.

„In bestimmten Richtungen innerhalb des Kristalls schneiden sich die Knotenlinien und kreuzen die Fermi-Energie, wo sich Elektronen frei bewegen können“, erklärt Sánchez-Barriga. „In der Nähe dieser Kreuzungen verhalten sich die Elektronen im Material wie masselose, relativistische Teilchen, ähnlich wie Licht, und können sich extrem schnell fortbewegen. Dies ist ein außergewöhnliches Verhalten, das bisher bei keinem elementaren Ferromagneten beobachtet wurde“. Darüber hinaus ist es durch Änderung der Richtung des Magnetfeldes möglich, entweder eine Lücke an der Kreuzung zu öffnen oder die Spintextur der Knotenlinien vollständig zu kontrollieren und gleichzeitig die einzigartigen Eigenschaften des lückenlosen Zustands beizubehalten. Dies ist genau die Art von Ein-Aus-Funktionalität, die für praktische Anwendungen gesucht wird.

Großer Erkenntnisgewinn

Über die technologischen Implikationen hinaus vermuten Sanchez-Barrigá und sein Team, dass ähnliche topologische Eigenschaften auch in anderen elementaren und Übergangsmetall-Ferromagneten existieren könnten, was neue Möglichkeiten zur Entdeckung exotischer Eigenschaften in diesen Materialien eröffnet.

Diese Entdeckung führt einem Umbruch im derzeitigen Verständnis ferromagnetischer Metalle. Sie zeigt, dass selbst die bekanntesten magnetischen Materialien uns noch überraschen können, indem sie verborgene, ungewöhnliche Quantenzustände beherbergen, und eröffnet spannende neue Forschungsrichtungen im Bereich Magnetismus, topologische Zustände der Materie und deren Anregungen.

Die Ergebnisse sind in Communications Materials publiziert, einem open-access Fachjournal mit hohem Impaktfaktor der Nature Publishing Group.