Kobalt verbirgt Quantenzustände, die bei Raumtemperatur überleben

Kobalt ist einer der am gründlichsten untersuchten Magnete der Erde, ein Element, das Lehrbücher füllt und von Batterien bis zu Flugzeugtriebwerken überall auftaucht. Physikerinnen und Physiker am Helmholtz-Zentrum Berlin haben nun herausgefunden, dass es ein dichtes Netz exotischer elektronischer Zustände verborgen hielt und dass dieses Netz bei Raumtemperatur zusammenhält.

Die Zustände heißen magnetische Knotenlinien. Es sind Orte, an denen sich zwei nach der Richtung ihres Spins sortierte Elektronenströme kreuzen, ohne zusammenzustoßen, und dabei durchgehende Pfade durch den Kristall ziehen, statt sich in einzelnen Punkten zu treffen. Solche Eigenschaften gehören zur Topologie, jenem Zweig der Physik, der Merkmale beschreibt, die so tief in die Struktur eines Materials eingeschrieben sind, dass gewöhnliche Störungen sie nicht auslöschen können. In Kobalt fand das Team diese Kreuzungen durch das gesamte Metall gewoben, nicht auf einen seltenen Winkel beschränkt.

Bemerkenswert ist nicht nur, dass es die Zustände gibt, sondern dass sie die Wärme eines gewöhnlichen Raums überstehen. Das meiste Quantenverhalten, dem Physiker nachjagen, zeigt sich erst nahe dem absoluten Nullpunkt, wo die Wärme abgezogen ist und fragile Effekte endlich sichtbar werden. Kobalts Knotenlinien bestehen hunderte Grad höher fort, und das ist der Unterschied zwischen einer Laborkuriosität und etwas, das ein echtes Bauteil nutzen könnte.

Um sie zu sehen, setzten die Forschenden spin- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie ein, ein Verfahren, das mit Licht Elektronen aus einem Material schlägt und sowohl ihre Energie als auch die Richtung ihres Spins erfasst. Sie führten es an BESSY II durch, einem Synchrotron in Berlin, das das intensive, fein abgestimmte Licht liefert, das die Messung verlangt. Die zusätzliche Auflösung erlaubte es ihnen, Kobalts elektronische Struktur weit detaillierter zu kartieren als frühere Arbeiten, und so trat ein über Jahrzehnte übersehenes Netz endlich hervor.

„Genau diese Ein-Aus-Funktionalität sucht man für praktische Anwendungen“, sagt Jaime Sánchez-Barriga, der das internationale Team leitete. Da die Zustände an Kobalts Magnetismus gekoppelt sind, lässt sich durch Umkehren der Richtung eines Magnetfelds steuern, was sie tun, ein Hebel, den Ingenieure für die Spintronik begehren, eine Elektronik, die Information im Spin der Elektronen statt in der Ladung kodiert und schnellere, kühlere Chips verspricht.

Die Arbeit ist eine Messung von Materialeigenschaften, kein funktionierendes Bauteil, und diese Lücke ist groß. Topologische Zustände in einem Kristall unter einem Synchrotronstrahl zu kartieren ist weit davon entfernt, einen Chip zu bauen, der sie im großen Maßstab nutzt, und andere Gruppen müssen das Ergebnis reproduzieren und prüfen, ob der Effekt außerhalb sorgfältig präparierter Proben standhält. Die Autoren beschreiben Kobalt als eine einstellbare Plattform zum Erkunden, nicht als fertige Technologie.

Dennoch liegt der Reiz gerade darin, dass Kobalt so gewöhnlich ist. Ein Material, das bereits abgebaut, raffiniert und im industriellen Maßstab gefertigt wird, ließe sich weit leichter einführen als die seltenen oder empfindlichen Verbindungen, welche die Quantenforschung beherrschen.

Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Communications Materials. Das Team will kartieren, wie die Knotenlinien reagieren, wenn das Magnetfeld gedreht wird, der nächste Schritt, um herauszufinden, ob sich Kobalts verborgene Architektur nutzbar machen lässt.

Schlagwörter: Physik