De meeste mensen zijn zich in hun dagelijks leven niet bewust van magnetische krachten, maar vertrouwen er voortdurend op in elektromotoren, harde schijven en elektrische sensoren. In de race om kleinere elektronische componenten te ontwikkelen, moeten de kwantummechanismen van deze componenten worden begrepen. In hun nieuwe artikel hebben Dr. Yunori Nishikawa van de Osaka Metropolitan University Graduate School of Science en Masashi Tokuda van de Osaka University wiskundig het elektronenverstrooiende Kondo-effect in ferrimagnetische stoffen gemodelleerd.

In de eenvoudigste modellen van geleidbaarheid stromen elektronen vrij door metaal, maar de zaken zijn ingewikkelder op kwantumschaal:magnetische onzuiverheden kunnen sommige elektronen verstrooien - een fenomeen dat bekend staat als het Kondo-effect. "Het Kondo-effect is een van de belangrijkste concepten voor het begrijpen van sterk gecorreleerde elektronensystemen, zoals magnetisme in zeldzame aardmaterialen en supergeleiders bij hoge temperaturen", legt Dr. Nishikawa uit. De elektrische geleidbaarheid verandert op basis van magnetische eigenschappen, die veranderen in relatie tot de temperatuur, waardoor de relatie tussen alle drie de factoren erg complex is. Recente ontwikkelingen in nanotechnologie hebben het mogelijk gemaakt om kunstmatige magnetische systemen te fabriceren met behulp van kwantumdots, waardoor het Kondo-effect en magnetische interacties kunnen worden onderzocht.

De ontdekking van ferrimagnetisme in 1948 leverde Louis Néel de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1970 op. Als je je de magnetische momenten in een object voorstelt als kleine richtingspijlen van magnetische kracht, dan wijzen bij puur ijzeren magneten alle pijlen in dezelfde richting. In ferrimagnetten daarentegen wijzen magnetische momenten in tegengestelde richtingen, maar op een onevenwichtige manier. Het Kondo-effect op ferrimagnetisme was niet onderzocht.

Om deze ongrijpbare effecten uit te lokken, moeten natuurkundigen creatief zijn met hun theoretische opzet, omdat het proberen om ze te modelleren veel rekenkracht vereist. De onderzoekers gebruikten een nieuw T-vormig rooster van vier kwantumdots verbonden met twee reservoirs van elektronen om een ​​stroom te induceren. Hoewel eerder paren kwantumstippen of kwartetten werden gebruikt om kwantumverschijnselen te modelleren, was de T-vormige opstelling nieuw en kon ferrimagnetisme ontstaan.

Hierdoor konden de onderzoekers ferrimagnetisme modelleren op de T-vormige quantum-dot-array in relatie tot temperatuurveranderingen, waardoor het Kondo-effect in lijn kwam met ferrimagnetisme. "Vanwege de symmetrische geometrische configuratie van het systeem hadden we verwacht dat we van de minimale ferrimagnetische toestand naar de Kondo-toestand zouden gaan zonder door andere kwantumverstrengelde toestanden te gaan, waardoor de elektrische geleidbaarheid zoals gewoonlijk zou worden versterkt," zei Tokuda. "We waren echter zeer verrast toen we ontdekten dat het werd onderdrukt, in tegenstelling tot mijn aanvankelijke verwachting." Door de interactie van het Kondo-effect en minimaal ferrimagnetisme te voorspellen, presenteert dit onderzoek een contra-intuïtieve hypothese voor experimentele tests.

Het artikel is gepubliceerd in Physical Review B . + Verder verkennen

Nanomateriaaltheorie beschrijft sterk gecorreleerde elektronen in kwantumstippen