Одиночный квантовый спин ведет себя относительно просто, но когда спины влияют друг на друга по всему материалу, появляются совершенно новые эффекты. Одно из важнейших таких явлений — эффект Кондо, который описывает взаимодействие локализованных квантовых спинов с подвижными электронами. Этот эффект играет ключевую роль в поведении многих квантовых систем.
Однако изучать эффект Кондо в реальных материалах очень сложно. Электроны не только несут спин, но и движутся через материал, занимая разные орбитали. Когда все эти процессы происходят одновременно, трудно отделить спиновые взаимодействия от всего остального. Поэтому физики долгое время полагались на упрощенные теоретические модели. Одна из самых популярных — так называемое «ожерелье Кондо», модель, предложенная Себастьяном Дониаком в 1977 году. В такой модели ученые вывели за скобки движение электронов и орбитальные эффекты, уделяя внимание исключительно взаимодействующим спинам. Такая модель все эти годы считается эффективным инструментом для изучения новых квантовых состояний, однако реализовать ее экспериментально до сих пор ни разу не удавалось.
Команда ученых под руководством доцента Хиронори Ямагути из Осакского столичного университета решила эту задачу. Физики создали новый тип «ожерелья Кондо» из тщательно сконструированного органо-неорганического гибридного материала на основе органических радикалов и ионов никеля.
Ранее ученым удавалось построить систему со спином ½. В новой работе они увеличили локализованный спин до 1. Термодинамические измерения выявили четкий фазовый переход: система перешла в магнитно-упорядоченное состояние.
Это открытие стало опровержением традиционных представлений. Многие годы считалось, что эффект Кондо главным образом подавляет магнетизм, связывая спины в синглеты — максимально запутанные состояния с нулевым полным спином. Результаты новой работы показывают: когда локализованный спин превышает ½, то же самое взаимодействие Кондо не ослабляет, а наоборот, активно способствует магнитному упорядочению.
Сравнив системы со спином ½ и спином 1, ученые обнаружили четкую квантовую границу. Эффект Кондо всегда формирует локальные синглеты для спина ½, но стабилизирует магнитный порядок для спина 1 и выше. Это первое прямое экспериментальное доказательство того, что роль эффекта Кондо фундаментально зависит от размера спина.
«Обнаружение квантового принципа, который зависит от размера спина в эффекте Кондо, открывает совершенно новую область изучения квантовых материалов, — говорит Ямагути. — Возможность переключать квантовые состояния между немагнитным и магнитным режимами путем контроля размера спина может стать основой для проектирования квантовых материалов нового поколения».
Ранее ученым впервые удалось наблюдать пучок позитрония как квантовую волну.