Selama beberapa dekade, kobalt telah dianggap sebagai salah satu logam magnetik yang paling dipahami. Struktur kristal dan sifat fundamentalnya telah dipelajari secara ekstensif, sehingga para ilmuwan percaya bahwa hanya ada sedikit kejutan yang bisa ditemukan. Namun penelitian baru mengungkapkan bahwa unsur familiar ini memiliki lanskap kuantum kompleks tak terduga yang tersembunyi dalam struktur elektroniknya.
Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh Dr. Jaime Sánchez-Barriga dari Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) telah menemukan bahwa kobalt mengandung jaringan kaya keadaan elektronik topologi yang tetap stabil bahkan pada suhu kamar. Hasil ini menantang asumsi lama mengenai logam dan menunjukkan bahwa logam dapat memainkan peran penting dalam teknologi elektronik dan berbasis putaran di masa depan.
Pengukuran tingkat lanjut mengungkap fungsi kuantum yang tersembunyi
Para peneliti menggunakan spektroskopi fotoemisi spin dan sudut (spin-ARPES) di Fasilitas Radiasi Sinkronisasi BESSY II untuk memeriksa struktur elektronik kobalt dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya. Pengukuran mereka mengungkapkan jaringan padat garis nodal magnet, yang merupakan persilangan pita topologi khusus di mana dua keadaan elektronik terpolarisasi spin terus bersilangan tanpa membentuk lubang energi.
Daripada terjadi pada titik-titik terisolasi, persilangan ini meluas sepanjang jalur dalam ruang momentum melalui kristal. Keadaan elektronik yang dihasilkan dapat mendukung pembawa muatan yang sangat cepat dan kuat secara topologi, menjadikannya sangat menarik untuk aplikasi masa depan dalam teknologi informasi dan spintronik.
“Kobalt adalah salah satu elemen feromagnetik yang paling terkenal dan paling banyak dipelajari selama 40 tahun terakhir, dan struktur elektroniknya dianggap dipahami dengan baik,” jelas fisikawan HZB Dr. Jaime Sánchez-Barriga, yang memimpin penelitian tersebut. “Namun, kami menemukan struktur pita topologi yang menarik dengan banyak persilangan dan simpul yang mendominasi perilaku elektronik berenergi rendah. Ini sepenuhnya mengubah pemahaman kita saat ini tentang sifat dasar bahan dasar ini.”
Kontrol magnetik keadaan kuantum
Salah satu aspek terpenting dari garis nodal yang baru ditemukan adalah bahwa garis tersebut secara intrinsik terpolarisasi berputar. Karena kobalt bersifat feromagnetik dan merusak simetri pembalikan waktu, keadaan elektronik yang terkait dengan garis nodal ini membawa polarisasi putaran bersih.
Penting untuk dicatat bahwa polarisasi putaran ini dapat dibalik sepenuhnya dengan mengubah arah magnetisasi material. Hal ini memungkinkan kontrol magnetik langsung atas pembawa muatan yang terikat pada garis nodal, suatu kemampuan yang tidak ada pada material nonmagnetik dengan garis nodal dan sangat diinginkan untuk teknologi spintronik.
“Material garis nodal magnetik jarang ditemukan di alam, dan dalam sebagian besar kasus yang diketahui, persilangan ini sangat sulit untuk distabilkan atau dikendalikan,” kata Sánchez-Barriga. “Oleh karena itu, pengamatan beberapa garis nodal yang dilindungi simetri dalam feromagnet dasar sederhana sangat tidak terduga dan menjadikan kobalt sebagai sistem model untuk mempelajari interaksi antara topologi dan magnet.”
Teori menegaskan hasil eksperimen
Hasil eksperimen tersebut didukung oleh perhitungan prinsip pertama berdasarkan teori fungsional kerapatan, yang dilakukan oleh tim teori yang dipimpin oleh Dr. Maia G. Vergniory dari Pusat Fisika Internasional Donostia dan Universitas Sherbrooke.
Perhitungan ini memungkinkan untuk mengidentifikasi semua garis nodal yang ada dalam keseluruhan struktur elektronik kobalt dan menunjukkan kesesuaian yang sangat baik dengan pengukuran eksperimental. Analisis tersebut mengkonfirmasi bahwa garis nodal dilindungi oleh simetri cermin kristal yang bekerja bersama dengan feromagnetisme. Penyeberangan juga tetap tidak terganggu bahkan ketika kopling spin-orbit diperhitungkan.
Elektron berperilaku seperti partikel tak bermassa
“Pada arah tertentu di dalam kristal, garis nodal bersilangan dan melewati energi Fermi dimana elektron dapat bergerak bebas,” jelas Sánchez-Barriga. “Di dekat persimpangan ini, elektron dalam material berperilaku sebagai partikel tak bermassa, mirip relativistik, mirip dengan perilaku cahaya, dan dapat bergerak sangat cepat. Ini adalah perilaku luar biasa yang belum pernah diamati pada feromagnet elementer mana pun sebelumnya. Selain itu, dengan mengubah arah medan magnet, dimungkinkan untuk membuka celah pada persimpangan atau sepenuhnya mengontrol tekstur putaran garis nodal sambil mempertahankan sifat unik keadaan tanpa ruang. Inilah jenis fungsi hidup/mati yang dicari oleh aplikasi praktis untuk.
Kemampuan untuk memanipulasi keadaan elektronik ini menggunakan medan magnet dapat menjadikan kobalt sebagai platform berharga untuk pengembangan perangkat masa depan yang mengandalkan kendali muatan dan putaran.
Kemungkinan baru untuk magnetisme dan material kuantum
Di luar potensi penerapan teknologi, para peneliti yakin penemuan ini dapat menunjukkan fitur topologi tersembunyi serupa pada unsur feromagnet dan logam transisi lainnya. Jika dikonfirmasi, hal ini dapat membuka pintu bagi penemuan berbagai fenomena kuantum yang sebelumnya tidak diketahui dalam material yang telah dipelajari selama beberapa dekade.
Tim juga mengusulkan beberapa cara untuk menyempurnakan sifat-sifat ini, termasuk mempelajari antarmuka dengan material yang mengandung unsur berat dengan muatan nuklir tinggi dan mengeksplorasi bagaimana perilaku berubah dalam dimensi yang diperkecil.
Hasilnya menunjukkan bagaimana beberapa bahan yang paling terkenal sekalipun masih dapat menghasilkan kejutan ilmiah yang besar. Penemuan ini menunjukkan bahwa pemahaman kita tentang logam feromagnetik masih belum lengkap dan membuka peluang penelitian baru terhadap magnetisme, materi topologi, dan eksitasi tidak biasa yang muncul dari keadaan kuantum ini.
Studi ini dipublikasikan di Peralatan komunikasijurnal akses terbuka Portofolio Alam.
Penelitian ini melibatkan peneliti dari HZB, Diamond Light Source, Donostia International Physics Center, University of the Basque Country, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden, IMDEA Nanoscience (Madrid) dan University of Sherbrooke (Kanada).
