Natuurkundigen proberen al tientallen jaren het Kondo-wolkquantumfenomeen te observeren. Een internationaal onderzoeksteam heeft onlangs een nieuw apparaat ontwikkeld dat met succes de lengte van de Kondo-cloud meet en zelfs beheert. De bevindingen kunnen worden beschouwd als een mijlpaal in de fysica van de gecondenseerde materie, en kan inzichten verschaffen voor het begrijpen van meerdere onzuiverheidssystemen zoals supergeleiders bij hoge temperaturen.

Deze doorbraak werd bereikt door een team van onderzoekers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Stadsuniversiteit van Hong Kong (CityU), Korea Geavanceerd Instituut voor Wetenschap en Technologie (KAIST), de Universiteit van Tokio, en Ruhr-Universiteit Bochum. Hun onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in Natuur .

Wat is de Kondo-cloud?

Het Kondo-effect is een natuurkundig fenomeen dat in de jaren dertig werd ontdekt. bij metalen, als de temperatuur daalt, elektrische weerstand daalt meestal. Echter, als er magnetische onzuiverheden in het metaal zitten, het zal het tegenovergestelde resultaat laten zien. De weerstand zal in eerste instantie afnemen. Maar wanneer het onder een bepaalde drempeltemperatuur is, de weerstand zal toenemen naarmate de temperatuur verder daalt.

Deze puzzel werd meer dan 50 jaar geleden opgelost door Jun Kondo, een Japanse theoretisch fysicus naar wie het effect is genoemd. Hij legde uit dat wanneer een magnetisch atoom (een onzuiverheid) in een metaal wordt geplaatst, het heeft een draai. Maar in plaats van alleen maar te koppelen met één elektron om een ​​paar spin-up en spin-down te vormen, het koppelt collectief met alle elektronen in sommige gebieden eromheen, het vormen van een wolk van elektronen rond de onzuiverheid - dit wordt de Kondo-wolk genoemd. Als er spanning op staat, de elektronen zijn niet vrij om te bewegen of worden afgeschermd door de Kondo-wolk, waardoor de weerstand toeneemt.

Hoe groot is de wolk?

Enkele basiseigenschappen van het Kondo-effect zijn experimenteel bewezen en bleken gerelateerd te zijn aan de Kondo-temperatuur (de drempeltemperatuur waarbij de weerstand begint te stijgen bij lage temperatuur). Echter, de meting van de lengte van de Kondo-wolk moest nog worden bereikt. theoretisch, de Kondo-wolk kan zich over enkele micrometers verspreiden van de onzuiverheid in halfgeleiders. Professor Heung-Sun Sim bij de afdeling Natuurkunde, KAIST, de theoreticus die de methode voorstelde voor het detecteren van de Kondo-cloud, merkte op dat "de waargenomen spinwolk een object is ter grootte van een micrometer met een kwantummechanische golfkarakter en verstrengeling. Dit is de reden waarom de spinwolk ondanks een lange zoektocht niet is waargenomen."

"De moeilijkheid bij het detecteren van de Kondo-wolk ligt in het feit dat het meten van spincorrelatie in het Kondo-effect de snelle detectie van tientallen gigahertz vereist. En je kunt de tijd niet stilzetten om elk van de individuele elektronen te observeren en te meten, " verklaarde Dr. Ivan Valerievich Borzenets, Universitair docent bij CityU's Department of Physics, die de experimentele meting van dit onderzoek heeft uitgevoerd.

Een enkele Kondo-cloud op het apparaat isoleren

Dankzij de vooruitgang in nanotechnologie, het onderzoeksteam heeft een apparaat gefabriceerd dat een ongepaarde elektronenspin (magnetische onzuiverheid) in een kwantumstip kan opsluiten, als een geleidend eilandje met een diameter van slechts enkele honderden nanometers. "Omdat de kwantumstip erg klein is, je kunt precies weten waar de onzuiverheid is, " zei dr. Borzenets.

Verbinding maken met de kwantumstip is een eendimensionaal en lang kanaal. Het ongepaarde elektron wordt vernauwd om te koppelen aan de elektronen in dit kanaal en daar een Kondo-wolk te vormen. we isoleren een enkele Kondo-wolk rond een enkele onzuiverheid, en we kunnen ook de grootte van de cloud bepalen, " hij legde uit.

De nieuwigheid van het systeem is dat door een spanning aan te leggen op verschillende punten in het kanaal met verschillende afstanden van de kwantumstip, ze veroorzaakten "zwakke barrières" langs het kanaal. Onderzoekers observeerden vervolgens de resulterende verandering in elektronenstroom en het Kondo-effect met variërende barrièresterkte en positie.

Het geheim ligt in de oscillatie-amplitude

Door de spanningen te veranderen, het bleek dat de geleiding op en neer ging, ongeacht waar ze de barrières opleggen. En toen er schommelingen waren in de geleiding, oscillaties in de gemeten Kondo-temperatuur werden waargenomen.

Toen de onderzoekers de oscillatie-amplitude van de Kondo-temperatuur uitzetten tegen de barrière-afstand van de onzuiverheid gedeeld door de theoretische wolklengte, ze ontdekten dat al hun datapunten op een enkele curve vallen, zoals theoretisch verwacht. "We hebben het oorspronkelijke theoretische resultaat van de Kondo-wolklengte experimenteel bevestigd, op micrometerschaal, " zei Dr. Borzenets. "Voor de eerste keer, we hebben het bestaan ​​van de wolk bewezen door de lengte van de Kondo-wolk rechtstreeks te meten. En we ontdekten de evenredigheidsfactor die de grootte van de Kondo-wolk en de Kondo-temperatuur verbindt."

Inzicht bieden in meerdere onzuiverheidssystemen

Het team heeft bijna drie jaar aan dit onderzoek gewerkt. Hun volgende stap is het onderzoeken van verschillende manieren om de Kondo-staat te controleren. "Veel andere manipulaties op het apparaat kunnen worden gedaan. Bijvoorbeeld, we kunnen twee onzuiverheden tegelijkertijd gebruiken, en kijk hoe ze zullen reageren als de wolken elkaar overlappen. We hopen dat de bevindingen inzicht kunnen geven in het begrip van meerdere onzuiverheidssystemen zoals Kondo-roosters, spinglazen en supergeleiders met een hoge overgangstemperatuur."

Volgens Dr. Michihisa Yamamoto, Teamleider bij RIKEN CEMS, die de internationale samenwerking leidde, "het is zeer bevredigend om een ​​echt ruimtebeeld van de Kondo-cloud te hebben kunnen verkrijgen, omdat het een echte doorbraak is voor het begrijpen van verschillende systemen die meerdere magnetische onzuiverheden bevatten. Deze prestatie werd alleen mogelijk gemaakt door nauwe samenwerking met theoretici."

"De grootte van de Kondo-wolk in halfgeleiders bleek veel groter te zijn dan de typische grootte van halfgeleiderapparaten. Dit betekent dat de wolk interacties kan bemiddelen tussen verre spins die zijn opgesloten in kwantumstippen, wat een noodzakelijk protocol is voor de verwerking van kwantuminformatie op basis van halfgeleiders. Deze spin-spin-interactie gemedieerd door de Kondo-wolk is uniek omdat zowel de sterkte als het teken (twee spins geven de voorkeur aan parallelle of antiparallelle configuratie) elektrisch afstembaar zijn, terwijl conventionele schema's het teken niet kunnen omkeren. Dit opent een nieuwe manier om spinscreening en verstrengeling te ontwikkelen, "Dokter Yamamoto legde uit.

"Het is fundamenteel en technisch opmerkelijk dat nu zo'n groot kwantumobject kan worden gecreëerd, gecontroleerd, en ontdekt, " Professor Heung-Sun Sim concludeerde.