O cobalto escondia estados quânticos que resistem à temperatura ambiente

O cobalto é um dos ímãs mais estudados da Terra, daqueles elementos que enchem os livros didáticos e aparecem tanto em baterias quanto em motores de avião. Físicos do Helmholtz-Zentrum Berlin descobriram agora que ele escondia uma densa rede de estados eletrônicos exóticos, e que essa rede se mantém à temperatura ambiente.

Os estados se chamam linhas nodais magnéticas. São lugares onde duas correntes de elétrons, separadas pela direção de seu spin, se cruzam sem colidir e traçam caminhos contínuos pelo cristal, em vez de se encontrarem em pontos isolados. Propriedades assim pertencem à topologia, o ramo da física que descreve traços tão profundamente inscritos na estrutura de um material que perturbações comuns não conseguem apagá-los. No cobalto, a equipe encontrou esses cruzamentos tecidos por todo o metal, não confinados a um canto raro.

O que impressiona não é só os estados existirem, mas sobreviverem ao calor de um cômodo comum. A maior parte do comportamento quântico que os físicos perseguem só aparece perto do zero absoluto, onde o calor é retirado e os efeitos frágeis enfim se deixam ver. As linhas nodais do cobalto persistem centenas de graus acima disso, e essa é a diferença entre uma curiosidade de laboratório e algo que um dispositivo real poderia usar.

Para vê-las, os pesquisadores usaram a espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo e em spin, uma técnica que arranca elétrons de um material com luz e registra tanto sua energia quanto a direção de seu spin. Eles a conduziram no BESSY II, um síncrotron de Berlim que produz a luz intensa e finamente ajustada que a medição exige. A resolução extra permitiu mapear a estrutura eletrônica do cobalto com muito mais detalhe do que os trabalhos anteriores, e foi assim que uma rede despercebida por décadas finalmente apareceu.

“É exatamente o tipo de funcionalidade liga-desliga que se busca para aplicações práticas”, diz Jaime Sánchez-Barriga, que liderou a equipe internacional. Como os estados estão ligados ao magnetismo do cobalto, inverter a direção de um campo magnético permite governá-los, uma alavanca que os engenheiros querem para a spintrônica, uma eletrônica que codifica a informação no spin do elétron, e não na carga, e promete chips mais rápidos e frios.

O trabalho é uma medição das propriedades de um material, não um dispositivo em funcionamento, e essa distância é grande. Mapear estados topológicos em um cristal sob um feixe de síncrotron está muito longe de fabricar um chip que os aproveite em larga escala, e outros grupos terão de reproduzir o resultado e testar se o efeito se sustenta fora de amostras cuidadosamente preparadas. Os autores descrevem o cobalto como uma plataforma ajustável a explorar, não como uma tecnologia pronta.

Ainda assim, parte do apelo é justamente o cobalto ser tão comum. Um material já extraído, refinado e fabricado em escala industrial seria muito mais fácil de adotar do que os compostos raros ou delicados que dominam a pesquisa quântica.

Os resultados saíram na revista Communications Materials. A equipe planeja mapear como as linhas nodais respondem quando o campo magnético é girado, o próximo passo para saber se a arquitetura oculta do cobalto pode ser posta para trabalhar.

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