Команда физиков из Кёльнского университета решила давнюю загадку физики конденсированного состояния: они непосредственно наблюдали видимый эффект Кондо (перегруппировку электронов в металлах, вызванную магнитными примесями) в искусственном атоме. В прошлом это не увенчалось успехом, поскольку большинство методов измерения часто не позволяют напрямую наблюдать магнитные орбиты атомов.
Однако международная исследовательская группа под руководством доктора Воутера Джоли из Института экспериментальной физики Кельнского университета использовала новую технику для наблюдения эффекта Кондо на искусственной дорожке внутри одномерной проволоки, плавающей над металлическим листом графена. О своих выводах они сообщили в статье, недавно опубликованной в журнале Nature Physics.
Когда электроны, движущиеся в металле, сталкиваются с магнитными атомами, на них воздействует атомный спин — атомный спин является магнитным полюсом элементарной частицы. Чтобы экранировать влияние атомного спина, море электронов собирается рядом с атомами, образуя новое многочастичное состояние, которое называется резонансом Кондо. Часто используется для описания взаимодействия металлов с магнитными атомами. Однако другие типы взаимодействий приводят к очень похожим экспериментальным особенностям, что поднимает вопросы о роли эффекта Кондо на отдельных магнитных атомах на поверхности.
Физики использовали новый экспериментальный метод, чтобы показать, что на их одномерную проволоку также влияет эффект Кондо: электроны в проволоке образуют стоячие волны, которые можно рассматривать как расширенные атомные орбитали. Эту искусственную орбиту, ее связь с электронным морем и резонансное переключение между орбитой и электронным морем можно отобразить с помощью сканирующей туннельной микроскопии. В этом экспериментальном методе используется острая металлическая игла для измерения электронов с атомным разрешением. Это позволило исследовательской группе измерить эффект Кондо с беспрецедентной точностью.
«Для магнитных атомов на поверхности это похоже на историю: человек, который никогда не видел слона, пытается представить его форму, прикоснувшись к нему один раз в темной комнате. Если вы прикоснетесь только к хоботу, животное, которое вы воображаете, будет совершенно отличаться от бока, если вы прикоснетесь к нему», — сказал Камиэль ван Эфферен, докторант, проводивший эксперимент. «Долгое время измерялись только резонансы Кондо. Но сигналы, наблюдаемые в этих измерениях, могли иметь и другие объяснения, точно так же, как хобот слона мог быть хоботом змеи».
Исследовательская группа Института экспериментальной физики специализируется на выращивании и исследовании двумерных материалов (кристаллических твердых тел, состоящих всего из нескольких слоев атомов), таких как графен и однослойный дисульфид молибдена (MoS2). Они обнаружили, что на границе раздела двух кристаллов MoS2, один из которых является зеркальным отражением другого, образуются нити атомов металла.
Используя сканирующий туннельный микроскоп, они смогли одновременно измерить магнитное состояние и резонанс Кондо при удивительно низкой температуре -272,75 градуса Цельсия (0,4 Кельвина), температуре, при которой возникает эффект Кондо.
Корреляция теории и экспериментальных данных
«Хотя наши измерения не оставляют сомнений в том, что мы наблюдаем эффект Кондо, мы еще не знаем, насколько наш нетрадиционный подход соотносится с теоретическими предсказаниями», — добавляет Джолли. С этой целью команда заручилась помощью двух физиков-теоретиков, профессора Ахима Роша из Кельнского университета и доктора Тео Кости из Юлихского исследовательского центра, оба всемирно известных экспертов в области физики Кондо.
Анализ экспериментальных данных на суперкомпьютере Юлиха показал, что резонанс Кондо можно точно предсказать на основе формы искусственных орбит в линиях магнитного поля, тем самым подтвердив предсказание, сделанное десятилетия назад Филипом В. Андерсоном, одним из основателей физики конденсированного состояния.
Теперь ученые планируют использовать линии магнитного поля для изучения еще более экзотических явлений. «Помещая наши одномерные провода в сверхпроводник или квантовую спиновую жидкость, мы можем создавать состояния многих тел, создаваемые квазичастицами, отличными от электронов. Теперь можно ясно видеть удивительные состояния материи, возникающие в результате этих взаимодействий, что позволит нам понять их на совершенно новом уровне», — объясняет Камил ван Эфрен.