Вчені вирішили давню проблему фізики конденсованих середовищ

Команда фізиків з Кельнського університету вирішила давню проблему фізики конденсованих речовин: вони безпосередньо спостерігали ефект Кондо (перегрупування електронів у металі, спричинене магнітними домішками), видимий в одному штучному атомі. У минулому це не було успішно зроблено, оскільки магнітні орбіталі атомів зазвичай неможливо безпосередньо спостерігати за допомогою більшості методів вимірювання.

Однак міжнародна дослідницька група під керівництвом доктора Воутера Джолі з Інституту експериментальної фізики Кельнського університету використала нову техніку для спостереження ефекту Кондо на штучній орбіталі всередині одновимірного дроту, що плаває над металевим листом графену. Вони повідомляють про своє відкриття в нещодавній статті, опублікованій у Nature Physics.

Розуміння ефекту Кондо

Коли електрони, що рухаються крізь метал, стикаються з магнітним атомом, на них впливає спін атома – магнітний полюс елементарних частинок, намагаючись екранувати ефект атомного спіну, море електронів групується близько до атома, утворюючи нову стан багатьох тіл, який називається резонансом Кондо.

Ця колективна поведінка відома як ефект Кондо і часто використовується для опису взаємодії металів з магнітними атомами. Однак інші типи взаємодії можуть призвести до дуже схожих експериментальних сигнатур, що ставить під сумнів роль ефекту Кондо для окремих магнітних атомів на поверхнях.

Інноваційні експериментальні методи

Фізики використали новий експериментальний підхід, щоб показати, що їхні одновимірні дроти також схильні до ефекту Кондо: електрони, захоплені дротами, утворюють стоячі хвилі, які можна розглядати як розширені атомні орбіталі. Цю штучну орбіталь, її зв’язок з електронним морем, а також резонансні переходи між орбіталлю та морем можна відобразити за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. Ця експериментальна техніка використовує гостру металеву голку для вимірювання електронів з атомною роздільною здатністю. Це дозволило команді виміряти ефект Кондо з неперевершеною точністю. 

«З магнітними атомами на поверхнях це схоже на історію про людину, яка ніколи не бачила слона і намагається уявити його форму, доторкнувшись до нього один раз у темній кімнаті. Якщо ви обмацуєте лише стовбур, ви уявляєте собі зовсім іншу тварину, ніж якщо торкаєтеся боку», — сказав Каміель ван Ефферен, докторант, який проводив експерименти.

«Довгий час вимірювали лише резонанс Кондо. Але можуть бути інші пояснення сигналів, які спостерігаються під час цих вимірювань, так само, як хобот слона також може бути змією».

Дослідницька група в Інституті експериментальної фізики спеціалізується на вирощуванні та дослідженні двовимірних матеріалів – кристалічних твердих тіл, що складаються лише з кількох шарів атомів – таких як графен і моношаровий дисульфід молібдену (MoS2). Вони виявили, що на межі розділу двох кристалів MoS2, один з яких є дзеркальним відображенням іншого, утворюється металевий дріт з атомів.

За допомогою свого скануючого тунельного мікроскопа вони могли одночасно вимірювати магнітні стани та резонанс Кондо при надзвичайно низькій температурі -272,75 градусів C (0,4 Кельвіна), при якій виникає ефект Кондо.

Співвідношення теорії з експериментальними даними

«Хоча наші вимірювання не залишили сумнівів у тому, що ми спостерігали ефект Кондо, ми ще не знали, наскільки добре наш нетрадиційний підхід можна порівняти з теоретичними прогнозами», — додала Джолі. Для цього команда заручилася допомогою двох фізиків-теоретиків, професора доктора Ахіма Роша з Кельнського університету та доктора Тео Кості з Forschungszentrum Jülich, обох всесвітньо відомих експертів у галузі фізики Кондо.

Після обробки експериментальних даних у суперкомп’ютері в Юліху виявилося, що резонанс Кондо можна точно передбачити за формою штучних орбіталей у магнітних дротах, підтверджуючи передбачення десятиліттями давності одного з батьків-засновників фізики конденсованого середовища. , Філіп В. Андерсон.
Тепер вчені планують використовувати свої магнітні дроти для дослідження ще більш екзотичних явищ.

«Помістивши наші одновимірні дроти на надпровідник або квантову спінову рідину, ми могли б створити стани багатьох тіл, що виникають з інших квазічастинок, ніж електрони», — пояснив Каміель ван Ефферен. «Захоплюючі стани матерії, які виникають у результаті цих взаємодій, тепер можна чітко побачити, що дозволить нам зрозуміти їх на абсолютно новому рівні».