В исследованиях, опубликованных в журнале Nature, международная исследовательская группа завершила пятидесятилетний поиск, непосредственно наблюдая за квантовым феноменом, известным как скрининговое облако Кондо. Это явление, важное для многих физических явлений, таких как высокотемпературная сверхпроводимость, по сути, представляет собой облако, маскирующее магнитные примеси в материале. Известно, что оно существует, но его пространственное расширение никогда не наблюдалось, что вызывает споры о том, существует ли такое расширение на самом деле.
Магнетизм возникает из свойства электронов, известного как спин, означающего, что они имеют угловой импульс, выровненный в одном из двух направлений, условно известных как вверх и вниз. Однако, из-за явления, известного как эффект Кондо, спины электронов проводимости - электронов, которые свободно протекают в материале - спутываются с локализованной магнитной примесью и эффективно экранируют ее. Прочность этой спиновой муфты, калиброванной как температура, известна как температура Кондо. Размер облака является еще одним важным параметром для материала, содержащего несколько магнитных примесей, потому что спины в облаке пары друг с другом и посредником связи между магнитными примесями, когда облака пересекаются. Это происходит в различных материалах, таких как решетки Кондо, спиновые стекла и высокотемпературные сверхпроводники.
- Хотя эффект Кондо для одной магнитной примеси в настоящее время является учебным предметом в физике многих тел, обнаружение его ключевого объекта - облака Кондо и его длины - остается труднодостижимым, несмотря на многочисленные попытки за последние пять десятилетий. Эксперименты с использованием ядерного магнитного резонанса или сканирующей туннельной микроскопии - двух распространенных методов для понимания структуры материи - либо не выявили признаков облака, либо продемонстрировали признак только на очень коротком расстоянии, менее 1 нанометра, намного короче прогнозируемого размера облака, находящегося в микронном диапазоне.
В настоящей работе авторы наблюдали экранирующее облако Кондо, образованное примесью, определяемой как локализованный спин электрона в квантовой точке - типе "искусственного атома", соединенного с квази-одномерными электронами проводимости, а затем с помощью интерферометра измеряли изменения температуры Кондо, что позволяло исследовать наличие облака на конце интерферометра. По сути, они слегка возмущали электроны проводимости в месте, удаленном от квантовой точки, используя электростатические затворы. Волна проводящих электронов, рассеянная этим возмущением, вернулась обратно в квантовую точку и вмешалась в себя. Это похоже на то, как волна на поверхности воды, рассеянная стеной, образует полосчатый рисунок. Облако Кондо - это квантово-механический объект, который действует, чтобы сохранить волновую природу электронов внутри облака. Несмотря на то, что нет прямого электростатического влияния возмущения на квантовую точку, эта интерференция модифицирует подпись Кондо, измеренную электропроводностью через квантовую точку, если возмущение присутствует внутри облака.
В исследовании исследователи обнаружили, что длина, а также форма облака повсеместно масштабируется на обратную температуру Кондо, и что размер и форма облака находятся в хорошем согласии с теоретическими расчетами. "Таким образом, мы смогли экспериментально подтвердить оригинальный теоретический прогноз длины облака Кондо, который находится на порядке микрометров", - сказал Иван Борзенец из Городского университета Гонконга, который проводил экспериментальные измерения.
По словам Мичихиса Ямамото из Центра РИКЕН по изучению новой материи (CEMS), возглавившего международное сотрудничество, "очень приятно, что нам удалось получить реальный космический снимок облака Кондо, так как это настоящий прорыв в понимании различных систем, содержащих множество магнитных примесей". Это достижение стало возможным только благодаря тесному сотрудничеству с теоретиками. Было установлено, что размер облака Кондо в полупроводниках намного больше типичных размеров полупроводниковых приборов. Это означает, что облако может быть посредником во взаимодействиях между удаленными спинами, заключенными в квантовые точки, что является необходимым протоколом для обработки квантовой информации на основе полупроводниковых спинов. Это спин-спиновое взаимодействие, опосредованное облаком Кондо, уникально, так как и его сила, и знак (два спина благоприятствуют либо параллельной, либо антипараллельной конфигурации) электрически настраиваются, в то время как обычные схемы не могут перевернуть знак. Это открывает новый способ инжиниринга спин-спинового экранирования и запутывания". Хын Сун Сим из KAIST, теоретик, предложивший метод обнаружения облака Кондо, также сказал: "Наблюдаемое спиновое облако представляет собой объект размером в микрометр, имеющий квантово-механическую волновую природу и сплетение. Поэтому, несмотря на длительные поиски, спиновое облако не было обнаружено. Примечательно с фундаментальной и технической точки зрения, что такой крупный квантовый объект теперь можно создавать, контролировать и обнаруживать".
