Miedzynarodowy zespół naukowców dokonał niedawno zaskakującego odkrycia, które zmusza do ponownego przemyślenia natury kobaltu. W jego strukturze elektronowej znaleziono gęstą sieć magnetycznych linii węzłowych – topologicznych przecięć, gdzie stany elektronowe przecinają się bez przerwy energetycznej. Wyniki opublikowano 24 stycznia 2026 roku w periodyku Communications Materials.
Niespodzianka w dobrze znanym metalu. Ukryta topologia kobaltu
Badania prowadzone przez dr. Jaime Sáncheza-Barrigę z Helmholtz Center w Berlinie wykorzystały zaawansowaną technikę spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową i spinową. Eksperymenty przeprowadzono w synchrotronie BESSY II, gdzie wiązka światła umożliwiła wgląd w elektronową strukturę kobaltu. Naukowcy spodziewali się raczej potwierdzenia znanych właściwości, tymczasem natrafili na coś zupełnie nowego.
W heksagonalnie upakowanym kobalcie zaobserwowano liczne magnetyczne linie węzłowe. Tego typu topologiczne cechy uważano dotąd za rzadkość w przyrodzie. Występują one w dwóch formach: jako pierścienie wokół punktów Gamma i K w jednej płaszczyźnie krystalograficznej oraz jako linie rozciągające się wzdłuż ścieżki A-L w innej płaszczyźnie.
Czytaj także: Zszedł w głębiny, a Chiny dostały skarb. Głębinowe górnictwo to już nie marzenia
Obserwacje eksperymentalne znalazły potwierdzenie w obliczeniach teoretycznych wykonanych przez zespół dr Maii G. Vergniory. Zgodność między pomiarami a modelowaniem wskazuje, że odkryte cechy są rzeczywiste, a nie wynikiem błędu pomiarowego.
Elektrony naśladujące fotony. Bezmasowe zachowanie w kobalcie
W pobliżu tych topologicznych przecięć elektrony w kobalcie zachowują się w niecodzienny sposób. Przypominają bezmasowe, relatywistyczne cząstki, podobnie jak fotony światła. Dzięki temu mogą poruszać się niezwykle szybko, bez typowych opóźnień spotykanych w konwencjonalnych metalach.
Co ciekawe, jest to pierwsze zaobserwowanie takiego zjawiska w czystym, elementarnym ferromagnetyku. Do tej pory podobne efekty udawało się osiągnąć jedynie w skomplikowanych związkach chemicznych, często wymagających ekstremalnie niskich temperatur. Tymczasem kobalt prezentuje te właściwości w zwykłych warunkach, co jest dość zaskakujące.
Stabilność w temperaturze pokojowej. Kontrola magnetycznych linii węzłowych
Kluczową cechą odkrytych linii węzłowych jest ich trwałość w temperaturze pokojowej. Większość materiałów topologicznych wymaga chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego, co praktycznie uniemożliwia ich zastosowanie poza laboratoryjnymi warunkami. Kobalt oferuje tu wyraźną przewagę.
Dodatkowo, magnetyczne linie węzłowe w kobalcie poddają się kontroli. Są one spinowo spolaryzowane, a ich polaryzację można całkowicie odwrócić poprzez zmianę kierunku namagnesowania materiału. Mechanizm ten działa dzięki symetrii krystalicznej – gdy magnetyzacja przebiega wzdłuż osi c, symetria lustrzana chroni linie węzłowe, utrzymując je w stanie bezszczelinowym. Zmiana kierunku magnetyzacji na prostopadły niszczy tę ochronę, powodując albo otwarcie szczeliny energetycznej, albo przekształcenie linii w izolowane punkty węzłowe typu Weyla.
Perspektywy dla spintroniki. Kwantowy transport pod kontrolą
Możliwość przełączania stanów ma istotne znaczenie dla spintroniki, dziedziny wykorzystującej spin elektronów do przetwarzania informacji. W kobalcie można nie tylko kontrolować obecność topologicznych stanów, ale także ich teksturę spinową, przy zachowaniu unikalnych właściwości transportowych.
Wysoka temperatura Curie kobaltu, przekraczająca 1100 stopni Celsjusza, gwarantuje stabilność tych magnetycznych przecięć w każdych praktycznych warunkach. Prosta, elementarna kompozycja eliminuje również problemy z wytwarzaniem, które często towarzyszą bardziej egzotycznym materiałom topologicznym. Choć brzmi to obiecująco, warto pamiętać, że od odkrycia do komercjalizacji technologii zwykle prowadzi długa i kręta droga.
Konieczność aktualizacji podręczników. Nowe spojrzenie na ferromagnetyki
Odkrycie pokazuje, że nasze dotychczasowe rozumienie ferromagnetyków było niekompletne. Kobalt, przedstawiany w podręcznikach jako wzorcowy przykład prostego magnesu, okazał się materiałem o złożonej topologii elektronowej. Materiały z magnetycznymi liniami węzłowymi są rzadkie, a ich stabilizacja bywa trudna.
Znalezienie tak bogatej struktury topologicznej w powszechnym pierwiastku zmienia perspektywę poszukiwań. Kobalt staje się systemem modelowym do badania interakcji między topologią a magnetyzmem. Jeśli nawet tak dobrze poznany metal krył taką niespodziankę, warto się zastanowić, ile podobnych właściwości może czaić się w innych, rzekomo zwyczajnych materiałach.
Czytaj także: Nowy składnik akumulatorów pomoże zwalczać niewolnictwo
Przewidywania teoretyczne sugerują, że nawet jedna czwarta wszystkich naturalnie występujących ciał stałych może mieć topologicznie nietrywialne przecięcia pasmowe. Odkrycie w kobalcie poszerza listę elementarnych systemów o takie cechy. Badania otwierają nowe kierunki w dziedzinie magnetyzmu i topologicznych stanów materii, a kobalt może stać się platformą do testowania teorii i rozwijania przyszłych technologii kwantowych. To przypomina, że nauka nawet w dobrze zbadanych obszarach potrafi zaskakiwać.