Fysiker har försökt observera Kondo-molnets kvantfenomen i många decennier. Ett internationellt forskargrupp har nyligen utvecklat en ny enhet som framgångsrikt mäter längden på Kondo -molnet och till och med möjliggör kontroll av det. Fynden kan betraktas som en milstolpe i kondenserad fysik, och kan ge insikter för att förstå flera föroreningssystem såsom högtemperatursupraledare.

Detta genombrott uppnåddes av ett team av forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), City University of Hong Kong (CityU), Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), universitetet i Tokyo, och Ruhr-Universitetet Bochum. Deras forskningsresultat publicerades i Natur .

Vad är Kondo -molnet?

Kondo -effekten är ett fysiskt fenomen som upptäcktes på 1930 -talet. I metaller, när temperaturen sjunker, det elektriska motståndet sjunker vanligtvis. Dock, om det finns några magnetiska föroreningar i metallen, det kommer att visa motsatt resultat. Motståndet kommer att sjunka till en början. Men när det är under någon tröskeltemperatur, motståndet kommer att öka när temperaturen sjunker ytterligare.

Detta pussel löstes för över 50 år sedan av Jun Kondo, en japansk teoretisk fysiker som effekten är uppkallad efter. Han förklarade att när en magnetisk atom (en förorening) placeras inuti en metall, den har ett snurr. Men istället för att bara koppla med en elektron för att bilda ett par av spin-up och spin-down, det parar tillsammans med alla elektroner inom vissa områden runt det, bildar ett moln av elektroner som omger föroreningen – detta kallas Kondo-molnet. När en spänning appliceras över den, elektronerna är inte fria att röra sig eller är avskärmade av Kondo-molnet, vilket resulterar i att motståndet ökar.

Hur stort är molnet?

Några grundläggande egenskaper hos Kondo -effekten har bevisats experimentellt och befanns vara relaterade till Kondo -temperaturen (tröskeltemperaturen där motståndet börjar stiga vid låg temperatur). Dock, mätningen av Kondo-molnets längd var ännu inte uppnådd. Teoretiskt sett Kondo -molnet kan sprida sig över flera mikrometer från orenheten i halvledare. Professor Heung-Sun Sim vid institutionen för fysik, KAIST, teoretikern som föreslog metoden för att detektera Kondo-molnet, kommenterade att "det observerade snurrmolnet är ett objekt i mikrometerstorlek som har kvantmekanisk vågkaraktär och trassel. Det är därför som spinmolnet inte har observerats trots en lång sökning."

"Svårigheten med att detektera Kondo-molnet ligger i det faktum att mätning av spinkorrelation i Kondo-effekten kräver snabb detektering av tiotals gigahertz. Och du kan inte frysa tid för att observera och mäta var och en av de individuella elektronerna, "förklarade Dr. Ivan Valerievich Borzenets, biträdande professor vid CityU:s institution för fysik, som utförde den experimentella mätningen av denna forskning.

Isolera ett enda Kondo-moln i enheten

Tack vare framstegen inom nanoteknik, forskargruppen tillverkade en enhet som kan begränsa ett oparat elektronspin (magnetisk förorening) i en kvantprick, som en liten ledande ö med en diameter på bara några hundra nanometer. "Eftersom kvantpunkten är väldigt liten, du kan veta exakt var orenheten är, sa Dr Borzenets.

Anslutning till kvantpunkten är en endimensionell och lång kanal. Den oparade elektronen är sammandragen för att koppla till elektronerna i denna kanal och bilda ett Kondo-moln där." vi isolerar ett enda Kondo-moln runt en enda orenhet, och vi kan kontrollera storleken på molnet också, " han förklarade.

Det nya med systemet är att genom att applicera en spänning på olika punkter inuti kanalen med olika avstånd från kvantpunkten, de inducerade "svaga barriärer" längs kanalen. Forskare observerade sedan den resulterande förändringen i elektronflödet och Kondo -effekten med varierande barriärstyrka och position.

Hemligheten ligger i oscillationsamplituden

Genom att ändra spänningarna, det visade sig att konduktansen gick upp och ner, oavsett var de sätter barriärerna. Och när det fanns svängningar i konduktans, svängningar i den uppmätta Kondo-temperaturen observerades.

När forskarna plottade svängningsamplituden för Kondo-temperaturen kontra barriäravståndet från föroreningen dividerat med den teoretiska molnlängden, de fann att alla deras datapunkter faller på en enda kurva, som teoretiskt förväntat. "Vi har experimentellt bekräftat det ursprungliga teoretiska resultatet av Kondo-molnets längd som är i mikrometerskala, "sa Dr Borzenets." För första gången, vi har bevisat molnets existens genom att direkt mäta Kondo molnlängd. Och vi fick reda på proportionalitetsfaktorn som kopplar samman Kondo-molnets storlek och Kondo-temperaturen."

Ge insikter i flera föroreningssystem

Teamet tillbringade nästan tre år i denna forskning. Deras nästa steg är att undersöka olika sätt att kontrollera Kondo-staten. "Många andra manipulationer på enheten kan göras. Till exempel, vi kan använda två föroreningar samtidigt, och se hur de kommer att reagera när molnen överlappar varandra. Vi hoppas att resultaten kan ge insikter i förståelsen av flera föroreningssystem som Kondo-galler, spinnglas och supraledare med hög övergångstemperatur."

Enligt Dr. Michihisa Yamamoto, Team Leader på RIKEN CEMS, som ledde det internationella samarbetet, "det är mycket tillfredsställande att ha kunnat få verklig rymdbild av Kondo-molnet, eftersom det är ett verkligt genombrott för att förstå olika system som innehåller flera magnetiska föroreningar. Denna prestation möjliggjordes endast genom nära samarbete med teoretiker."

"Storleken på Kondo-molnet i halvledare visade sig vara mycket större än den typiska storleken på halvledarenheter. Detta betyder att molnet kan förmedla interaktioner mellan avlägsna snurr begränsade i kvantprickar, vilket är ett nödvändigt protokoll för halvledarspinnbaserad kvantinformationsbehandling. Denna spin-spin-interaktion som förmedlas av Kondo-molnet är unik eftersom både dess styrka och tecken (två snurr gynnar antingen parallell eller antiparallell konfiguration) är elektriskt justerbara, medan konventionella system inte kan vända tecknet. Detta öppnar upp ett nytt sätt att konstruera spinnscreening och intrassling, "Dr Yamamoto förklarade.

"Det är anmärkningsvärt i en grundläggande och teknisk synvinkel att ett så stort kvantobjekt nu kan skapas, kontrollerade, och upptäckt, " avslutade professor Heung-Sun Sim.