O cobalto escondia estados quânticos estáveis à temperatura ambiente

O cobalto é um dos ímanes mais estudados da Terra, daqueles elementos que enchem os manuais e surgem tanto em baterias como em motores de avião. Físicos do Helmholtz-Zentrum Berlin descobriram agora que escondia uma densa rede de estados eletrónicos exóticos, e que essa rede se mantém à temperatura ambiente.

Os estados chamam-se linhas nodais magnéticas. São lugares onde duas correntes de eletrões, separadas pela direção do 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 as perturbações comuns não os conseguem apagar. No cobalto, a equipa encontrou esses cruzamentos entrelaçados por todo o metal, não confinados a um canto raro.

O que impressiona não é apenas os estados existirem, mas sobreviverem ao calor de uma divisão 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 se deixam finalmente 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 as ver, os investigadores usaram a espetroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo e em spin, uma técnica que arranca eletrões a um material com luz e regista tanto a sua energia como a direção do seu spin. Conduziram-na no BESSY II, um sincrotrão de Berlim que produz a luz intensa e finamente ajustada que a medição exige. A resolução acrescida permitiu-lhes mapear a estrutura eletrónica do cobalto com muito mais detalhe do que os trabalhos anteriores, e foi assim que uma rede despercebida durante décadas acabou por surgir.

“É exatamente o tipo de funcionalidade de ligar e desligar que se procura para aplicações práticas”, afirma Jaime Sánchez-Barriga, que liderou a equipa 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 desejam para a spintrónica, uma eletrónica que codifica a informação no spin do eletrão, 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 num cristal sob um feixe de sincrotrão está muito longe de fabricar um chip que os aproveite em larga escala, e outros grupos terão de reproduzir o resultado e verificar se o efeito se mantém fora de amostras cuidadosamente preparadas. Os autores descrevem o cobalto como uma plataforma ajustável a explorar, não como uma tecnologia acabada.

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

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

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