科学家在钴元素中发现了一个隐藏的量子世界

由德国赫尔姆霍兹柏林材料与能源中心（HZB）的哈伊梅·桑切斯-巴里加博士领衔的国际研究团队发现，钴这种被研究了四十多年的经典铁磁金属，其实隐藏着丰富而稳定的拓扑电子结构。过去人们认为钴的电子结构已十分清楚，但新实验首次揭示：钴内部存在大量‘磁性节点线’——即动量空间中连续延伸的、自旋极化的能带交叉线。这些节点线不是孤立点，而是沿特定路径分布，使电子在其中能以接近光速、无质量粒子的方式运动，速度极快且抗干扰能力强。尤为关键的是，由于钴本身是铁磁体，时间反演对称性被自发打破，因此这些节点线天然携带净自旋极化；更巧妙的是，只需翻转钴的磁化方向，就能完全反转相关电子的自旋取向——实现了对电荷载流子的直接磁控，这在非磁性节点线材料中无法实现。理论计算（基于密度泛函的第一性原理模拟）证实，这些节点线受晶体镜面对称性与铁磁序协同保护，即使考虑自旋-轨道耦合效应也保持无能隙特性。研究还指出，在特定晶向，节点线穿过费米能级，电子在此附近呈现相对论性行为；通过外加磁场，既能打开/关闭能隙，又能精准调控节点线的自旋纹理，同时保留其无能隙优势——这正是实用自旋电子开关所追求的核心功能。该发现不仅使钴成为探索‘拓扑+磁性’相互作用的理想模型体系，还提示其他传统铁磁金属（如铁、镍）也可能藏有类似未被发现的量子特性，有望催生一系列新奇量子现象的研究。此外，团队建议可通过引入重元素界面或降低维度等方式进一步调控这些性质。这项工作表明，即便是最熟悉的材料，仍可能带来颠覆性科学突破。