Verdens første eksperimentelle observation af en Kondo-sky

Fysikere har forsøgt at observere Kondo-skyens kvantefænomen i mange årtier. Et internationalt forskerhold har for nylig udviklet en ny enhed, der med succes måler længden af ​​Kondo-skyen og endda giver mulighed for at kontrollere den. Resultaterne kan betragtes som en milepæl i det kondenserede stofs fysik, og kan give indsigt til forståelse af flere urenhedssystemer såsom højtemperatursuperledere.

Dette gennembrud blev opnået af et team af forskere fra RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), City University of Hong Kong (CityU), Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), universitetet i Tokyo, og Ruhr-Universitetet Bochum. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i Natur .

Hvad er Kondo-skyen?

Kondo-effekten er et fysisk fænomen opdaget i 1930'erne. I metaller, når temperaturen falder, elektrisk modstand falder normalt. Imidlertid, hvis der er nogle magnetiske urenheder i metallet, det vil vise det modsatte resultat. Modstanden falder først. Men når den er under en tærskeltemperatur, modstanden vil stige, når temperaturen falder yderligere.

Dette puslespil blev løst for over 50 år siden af ​​Jun Kondo, en japansk teoretisk fysiker, som effekten blev opkaldt efter. Han forklarede, at når et magnetisk atom (en urenhed) er placeret inde i et metal, den har et spin. Men i stedet for blot at koble med en elektron for at danne et par af spin-up og spin-down, det kobler sammen med alle elektronerne i nogle områder omkring det, danner en sky af elektroner, der omgiver urenheden - dette kaldes Kondo-skyen. Når der påføres en spænding over den, elektronerne er ikke frie til at bevæge sig eller er afskærmet af Kondo-skyen, resulterer i øget modstand.

Hvor stor er skyen?

Nogle grundlæggende egenskaber ved Kondo-effekten er blevet bevist eksperimentelt og viste sig at være relateret til Kondo-temperaturen (den tærskeltemperatur, hvor modstanden begynder at stige ved lav temperatur). Imidlertid, målingen af ​​Kondo-skyens længde var endnu ikke opnået. Teoretisk set Kondo-skyen kan spredes ud over flere mikrometer fra urenheden i halvledere. Professor Heung-Sun Sim ved Institut for Fysik, KAIST, teoretikeren, der foreslog metoden til at detektere Kondo-skyen, kommenterede, at "den observerede spin-sky er et objekt på mikrometerstørrelse, der har kvantemekanisk bølgetype og sammenfiltring. Derfor er spin-skyen ikke blevet observeret på trods af en lang søgning."

"Vanskeligheden ved at detektere Kondo-skyen ligger i, at måling af spin-korrelation i Kondo-effekten kræver hurtig detektering af titusinder af gigahertz. Og du kan ikke fryse tid til at observere og måle hver af de individuelle elektroner, " forklarede Dr. Ivan Valerievich Borzenets, Adjunkt ved CityU's Institut for Fysik, som udførte den eksperimentelle måling af denne forskning.

Isolering af en enkelt Kondo-sky i enheden

Takket være fremskridt inden for nanoteknologi, forskerholdet fremstillede en enhed, der kan begrænse et uparret elektronspin (magnetisk urenhed) i en kvanteprik, som en lille ledende ø med en diameter på kun et par hundrede nanometer. "Da kvanteprikken er meget lille, du kan vide præcis, hvor urenheden er, " sagde Dr. Borzenets.

Forbindelse til kvanteprikken er en endimensionel og lang kanal. Den uparrede elektron er indsnævret til at koble til elektronerne i denne kanal og danne en Kondo-sky der." På denne måde, vi isolerer en enkelt Kondo-sky omkring en enkelt urenhed, og vi kan også kontrollere størrelsen af ​​skyen, "forklarede han.

Det nye ved systemet er, at ved at påføre en spænding på forskellige punkter inde i kanalen med forskellige afstande væk fra kvanteprikken, de inducerede "svage barrierer" langs kanalen. Forskere observerede derefter den resulterende ændring i elektronstrømmen og Kondo-effekten med varierende barrierestyrke og position.

Hemmeligheden ligger i oscillationsamplituden

Ved at ændre spændingerne, det blev fundet, at konduktansen gik op og ned, uanset hvor de sætter barriererne. Og når der var svingninger i konduktansen, svingninger i den målte Kondo-temperatur blev observeret.

Da forskerne plottede oscillationsamplituden af ​​Kondo-temperaturen versus barriereafstanden fra urenheden divideret med den teoretiske skylængde, de fandt ud af, at alle deres datapunkter falder på en enkelt kurve, som teoretisk forventet. "Vi har eksperimentelt bekræftet det oprindelige teoretiske resultat af Kondo-skyens længde, som er i mikrometerskala, " sagde Dr. Borzenets. "For første gang, vi har bevist eksistensen af ​​skyen ved direkte at måle Kondo-skyens længde. Og vi fandt ud af proportionalitetsfaktoren, der forbinder størrelsen af ​​Kondo-skyen og Kondo-temperaturen."

Give indsigt i flere urenhedssystemer

Holdet brugte næsten tre år på denne forskning. Deres næste skridt er at undersøge forskellige måder at kontrollere Kondo-staten på. "Mange andre manipulationer på enheden kan udføres. F.eks. vi kan bruge to urenheder på samme tid, og se, hvordan de vil reagere, når skyerne overlapper hinanden. Vi håber, at resultaterne kan give indsigt i forståelsen af ​​flere urenhedssystemer såsom Kondo-gitre, spinglas og superledere med høj overgangstemperatur."

Ifølge Dr. Michihisa Yamamoto, Teamleder hos RIKEN CEMS, der ledede det internationale samarbejde, "det er meget tilfredsstillende at have været i stand til at få et ægte rumbillede af Kondo-skyen, da det er et reelt gennembrud for at forstå forskellige systemer, der indeholder flere magnetiske urenheder. Denne præstation blev kun muliggjort af tæt samarbejde med teoretikere."

"Størrelsen af ​​Kondo -skyen i halvledere viste sig at være meget større end den typiske størrelse på halvlederanordninger. Det betyder, at skyen kan formidle interaktioner mellem fjerne spins, der er begrænset i kvantepunkter, som er en nødvendig protokol for halvlederspin-baseret kvanteinformationsbehandling. Denne spin-spin-interaktion medieret af Kondo-skyen er unik, da både dens styrke og fortegn (to spin favoriserer enten parallel eller anti-parallel konfiguration) er elektrisk indstillelige, mens konventionelle ordninger ikke kan vende skiltet. Dette åbner op for en ny måde at konstruere spin screening og sammenfiltring, " forklarede Dr. Yamamoto.

"Det er bemærkelsesværdigt i et grundlæggende og teknisk synspunkt, at et så stort kvanteobjekt nu kan skabes, kontrolleret, og opdaget, " konkluderede professor Heung-Sun Sim.