幾十年來，物理學(xué)家一直在努力觀察“近藤云”量子現(xiàn)象，包括香港城市大學(xué)一科學(xué)家在內(nèi)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在開發(fā)了一種新型設(shè)備，成功地測(cè)量了近藤云的長(zhǎng)度，甚至可以控制它。

這一發(fā)現(xiàn)可以被視為凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)里程碑，并可能為理解高溫超導(dǎo)體等多重雜質(zhì)系統(tǒng)提供更深洞察。

近藤云是什么？

香港城市大學(xué)物理系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士與來自德國(guó)、日本和韓國(guó)的科學(xué)家合作，其研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。近藤效應(yīng)是20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象，在金屬中，隨著溫度的下降，電阻通常會(huì)下降。然而，如果金屬中有一些磁性雜質(zhì)，就會(huì)出現(xiàn)相反結(jié)果。阻力首先會(huì)下降，但當(dāng)溫度低于某一閾值溫度時(shí)，隨著溫度的進(jìn)一步降低，電阻增大。

50多年前，日本理論物理學(xué)家近藤俊(Jun Kondo)解決了這個(gè)難題，這種效應(yīng)就是以他的名字命名：當(dāng)一個(gè)磁性原子（上述雜質(zhì)）被放入金屬內(nèi)部時(shí)，它會(huì)有一個(gè)自旋。但是，它不是僅僅與一個(gè)電子耦合形成一對(duì)自旋向上和向下的電子，而是與其周圍某些區(qū)域內(nèi)的所有電子共同耦合，形成圍繞雜質(zhì)的一團(tuán)電子——這被稱為近藤云。當(dāng)在其上施加電壓時(shí)，電子不能自由移動(dòng)或被近藤云屏蔽，導(dǎo)致電阻增加。

近藤云有多大？

近藤效應(yīng)的一些基本性質(zhì)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明，并被發(fā)現(xiàn)與近藤溫度（低溫下電阻開始上升的閾值溫度）有關(guān)。然而，對(duì)近藤云長(zhǎng)度的測(cè)量還沒有實(shí)現(xiàn)。從理論上講，近藤云可以從半導(dǎo)體中的雜質(zhì)擴(kuò)散到幾微米范圍內(nèi)。探測(cè)近藤云的困難在于，測(cè)量近藤效應(yīng)中的自旋相關(guān)性，需要幾十吉赫茲的快速探測(cè)。進(jìn)行這項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)測(cè)量的博澤內(nèi)茨博士解釋說：而且不能凍結(jié)時(shí)間來觀察和測(cè)量每一個(gè)單獨(dú)的電子。

隔離設(shè)備中的單個(gè)近藤云

得益于納米技術(shù)的進(jìn)步，研究小組制造了一種裝置，可以將不成對(duì)的電子自旋（磁性雜質(zhì)）限制在量子點(diǎn)中，就像直徑只有幾百納米的小導(dǎo)電島一樣，由于量子點(diǎn)非常小，可以確切地知道雜質(zhì)在哪里。與量子點(diǎn)相連的是一維長(zhǎng)通道，未成對(duì)的電子，被收縮成與這個(gè)通道中的電子耦合，在那里形成一個(gè)近藤云。

這樣就可以在單一雜質(zhì)周圍隔離出一個(gè)近藤云，而且也可以控制云的大小。該系統(tǒng)的新奇之處在于，通過在距離量子點(diǎn)不同距離通道內(nèi)的不同點(diǎn)上施加電壓，它們沿著通道誘導(dǎo)出“弱勢(shì)壘”。研究人員隨后觀察了電子流量和近藤效應(yīng)隨勢(shì)壘強(qiáng)度和位置變化而產(chǎn)生的變化。通過改變電壓，研究發(fā)現(xiàn)，不管他們把柵欄放在哪里，電導(dǎo)率都是起伏不定的。

秘訣在于振蕩幅度

當(dāng)電導(dǎo)出現(xiàn)振蕩時(shí)，測(cè)得的近藤溫度也出現(xiàn)振蕩。當(dāng)研究人員繪制近藤溫度的振蕩幅度與離雜質(zhì)勢(shì)壘距離除以理論云層長(zhǎng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)，正如理論上預(yù)期的那樣，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在一條曲線上。研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了近藤云微米尺度的原始理論結(jié)果，首次通過直接測(cè)量近藤云層長(zhǎng)度證明了云層的存在，研究還找出了連接近藤云層大小和近藤溫度的比例因子。

提供對(duì)多個(gè)雜質(zhì)系統(tǒng)的深入了解

研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中花了近三年的時(shí)間，下一步是研究控制近藤云的不同方法，可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行許多其他操作。例如，可以同時(shí)使用兩種雜質(zhì)，觀察它們?cè)谠茖又丿B時(shí)的反應(yīng)，研究人員希望這些發(fā)現(xiàn)能為理解多個(gè)雜質(zhì)系統(tǒng)提供洞察，如近藤晶格、自旋玻璃和高轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)體。

博科園｜研究/來自：香港城市大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6

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