Ο γρίφος του φαινομένου Kondo λύθηκε με ένα τεχνητό άτομο και ένα σύρμα 1D

Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας έλυσε ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης: παρατήρησαν άμεσα το φαινόμενο Kondo (η ομαδοποίηση ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο που προκαλείται από μαγνητικές ακαθαρσίες) ορατό σε ένα μόνο τεχνητό άτομο. Αυτό δεν έχει επιτευχθεί με επιτυχία στο παρελθόν, επειδή τα μαγνητικά τροχιακά των ατόμων γενικά δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα με τις περισσότερες τεχνικές μέτρησης.

Ωστόσο, η διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Wouter Jolie από το Ινστιτούτο Πειραματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Κολωνίας χρησιμοποίησε μια νέα τεχνική για να παρατηρήσει το φαινόμενο Kondo σε ένα τεχνητό τροχιακό μέσα σε ένα μονοδιάστατο σύρμα που επιπλέει πάνω από ένα μεταλλικό φύλλο γραφενίου. Αναφέρουν την ανακάλυψή τους στο έγγραφο «Modulated Kondo screening κατά μήκος των ορίων διπλού μαγνητικού καθρέφτη σε MoS ενός στρώματος».₂” Δημοσιευτηκε σε Φυσική φυσική.

Όταν τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα από ένα μέταλλο συναντούν ένα μαγνητικό άτομο, επηρεάζονται από το σπιν του ατόμου, τον μαγνητικό πόλο των στοιχειωδών σωματιδίων. Προσπαθώντας να φιλτράρει την επίδραση του ατομικού σπιν, η θάλασσα των ηλεκτρονίων συγκεντρώνεται κοντά στο άτομο, σχηματίζοντας μια νέα κατάσταση πολλών σωμάτων που ονομάζεται συντονισμός Kondo.

Αυτή η συλλογική συμπεριφορά είναι γνωστή ως φαινόμενο Kondo και χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει μέταλλα που αλληλεπιδρούν με μαγνητικά άτομα. Ωστόσο, άλλοι τύποι αλληλεπιδράσεων μπορούν να οδηγήσουν σε πολύ παρόμοιες πειραματικές υπογραφές, θέτοντας υπό αμφισβήτηση τον ρόλο του φαινομένου Kondo για μεμονωμένα μαγνητικά άτομα σε επιφάνειες.

Οι φυσικοί χρησιμοποίησαν μια νέα πειραματική προσέγγιση για να δείξουν ότι τα μονοδιάστατα καλώδιά τους υπόκεινται επίσης στο φαινόμενο Kondo: ηλεκτρόνια παγιδευμένα στα σύρματα σχηματίζουν στάσιμα κύματα, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως εκτεταμένα ατομικά τροχιακά.

Αυτό το τεχνητό τροχιακό, η σύζευξή του με τη θάλασσα των ηλεκτρονίων, καθώς και οι συντονιστικές μεταβάσεις μεταξύ τροχιακού και θαλάσσιου μπορούν να απεικονιστούν με το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας. Αυτή η πειραματική τεχνική χρησιμοποιεί μια κοφτερή μεταλλική βελόνα για τη μέτρηση ηλεκτρονίων με ατομική ανάλυση. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να μετρήσει το φαινόμενο Kondo με απαράμιλλη ακρίβεια.

“Με μαγνητικά άτομα σε επιφάνειες, είναι σαν την ιστορία ενός ατόμου που δεν έχει δει ποτέ έναν ελέφαντα και προσπαθεί να φανταστεί το σχήμα του αγγίζοντάς τον μια φορά σε ένα σκοτεινό δωμάτιο. Αν δεν αισθάνεσαι από την προβοσκίδα, φαντάζεσαι ένα εντελώς διαφορετικό ζώο παρά αν αγγίξεις το πλάι», είπε ο Camiel van Efferen, ο διδακτορικός φοιτητής που πραγματοποίησε τα πειράματα. “Για πολύ καιρό, μετρούνταν μόνο ο συντονισμός του Kondo. Αλλά θα μπορούσαν να υπάρξουν άλλες εξηγήσεις για τα σήματα που παρατηρήθηκαν σε αυτές τις μετρήσεις, όπως και ο κορμός του ελέφαντα θα μπορούσε να είναι φίδι.”

Η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Πειραματικής Φυσικής ειδικεύεται στην ανάπτυξη και εξερεύνηση 2D υλικών (κρυσταλλικά στερεά που αποτελούνται από λίγα μόνο στρώματα ατόμων) όπως το γραφένιο και το μονοστρωματικό δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS₂). Ανακάλυψαν ότι στη διεπαφή δύο MoS₂ κρύσταλλοι από τους οποίους ο ένας είναι η κατοπτρική εικόνα του άλλου, σχηματίζεται ένα μεταλλικό νήμα ατόμων.

Με το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγάς τους, μπόρεσαν να μετρήσουν ταυτόχρονα τις μαγνητικές καταστάσεις και τον συντονισμό Kondo, σε μια εκπληκτικά χαμηλή θερμοκρασία -272,75°C (0,4 Kelvin), στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο Kondo.

«Αν και οι μετρήσεις μας δεν άφηναν καμία αμφιβολία ότι παρατηρήθηκε το φαινόμενο Kondo, δεν γνωρίζαμε ακόμη πόσο καλά η αντισυμβατική προσέγγισή μας θα μπορούσε να συγκριθεί με τις θεωρητικές προβλέψεις», πρόσθεσε η Jolie. Για αυτό, η ομάδα κάλεσε δύο θεωρητικούς φυσικούς, τον καθηγητή Dr. Achim Rosch από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας και τον Dr. Theo Costi από το Forschungszentrum Jülich, και οι δύο παγκοσμίου φήμης ειδικούς στον τομέα της φυσικής Kondo.

Μετά την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων στον υπερυπολογιστή Juliers, αποδείχθηκε ότι ο συντονισμός Kondo μπορούσε να προβλεφθεί με ακρίβεια από το σχήμα των τεχνητών τροχιακών στα μαγνητικά σύρματα, επικυρώνοντας έτσι μια πρόβλεψη δεκαετιών ενός από τους ιδρυτές της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης. . , Philip W. Anderson.

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν τώρα να χρησιμοποιήσουν τα μαγνητικά τους καλώδια για να μελετήσουν ακόμη περισσότερα εξωτικά φαινόμενα. «Τοποθετώντας τα 1D καλώδιά μας σε έναν υπεραγωγό ή σε ένα υγρό κβαντικής σπιν, θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε καταστάσεις πολλών σωμάτων που αναδύονται από οιονεί σωματίδια εκτός από ηλεκτρόνια», εξήγησε ο Camiel van Efferen. «Οι συναρπαστικές καταστάσεις της ύλης που προκύπτουν από αυτές τις αλληλεπιδράσεις είναι πλέον καθαρά ορατές, κάτι που θα μας επιτρέψει να τις κατανοήσουμε σε ένα εντελώς νέο επίπεδο».