首次观测到“近藤云”量子现象！高温超导体或将因此获得突破

特朗普大爷

几十年来，物理学家一直在努力观察“近藤云”量子现象，包括香港城市大学一科学家在内的一个国际研究团队，现在开发了一种新型设备，成功地测量了近藤云的长度，甚至可以控制它。这一发现可以被视为凝聚态物理学的一个里程碑，并可能为理解高温超导体等多重杂质系统提供更深洞察。


近藤云是什么？
香港城市大学物理系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士与来自德国、日本和韩国的科学家合作，其研究成果发表在《自然》期刊上。近藤效应是20世纪30年代发现的一种物理现象，在金属中，随着温度的下降，电阻通常会下降。然而，如果金属中有一些磁性杂质，就会出现相反结果。阻力首先会下降，但当温度低于某一阈值温度时，随着温度的进一步降低，电阻增大。


（上图所示）近藤云层探测的示意图。图片：Jeongmin Shim
50多年前，日本理论物理学家近藤俊(Jun Kondo)解决了这个难题，这种效应就是以他的名字命名：当一个磁性原子（上述杂质）被放入金属内部时，它会有一个自旋。但是，它不是仅仅与一个电子耦合形成一对自旋向上和向下的电子，而是与其周围某些区域内的所有电子共同耦合，形成围绕杂质的一团电子——这被称为近藤云。当在其上施加电压时，电子不能自由移动或被近藤云屏蔽，导致电阻增加。
近藤云有多大？
近藤效应的一些基本性质已经被实验证明，并被发现与近藤温度（低温下电阻开始上升的阈值温度）有关。然而，对近藤云长度的测量还没有实现。从理论上讲，近藤云可以从半导体中的杂质扩散到几微米范围内。探测近藤云的困难在于，测量近藤效应中的自旋相关性，需要几十吉赫兹的快速探测。进行这项研究实验测量的博泽内茨博士解释说：而且不能冻结时间来观察和测量每一个单独的电子。
隔离设备中的单个近藤云
得益于纳米技术的进步，研究小组制造了一种装置，可以将不成对的电子自旋（磁性杂质）限制在量子点中，就像直径只有几百纳米的小导电岛一样，由于量子点非常小，可以确切地知道杂质在哪里。与量子点相连的是一维长通道，未成对的电子，被收缩成与这个通道中的电子耦合，在那里形成一个近藤云。


（上图所示）该器件由一个耦合到一维通道的量子点组成，其中三个门分别嵌入到距离量子点1.4μm、3.6μm和6.1μm的位置，以形成势垒。图片：University of Hong Kong / Nature
这样就可以在单一杂质周围隔离出一个近藤云，而且也可以控制云的大小。该系统的新奇之处在于，通过在距离量子点不同距离通道内的不同点上施加电压，它们沿着通道诱导出“弱势垒”。研究人员随后观察了电子流量和近藤效应随势垒强度和位置变化而产生的变化。通过改变电压，研究发现，不管他们把栅栏放在哪里，电导率都是起伏不定的。
秘诀在于振荡幅度
当电导出现振荡时，测得的近藤温度也出现振荡。当研究人员绘制近藤温度的振荡幅度与离杂质势垒距离除以理论云层长度时发现，正如理论上预期的那样，所有数据点都落在一条曲线上。研究已经从实验上证实了近藤云微米尺度的原始理论结果，首次通过直接测量近藤云层长度证明了云层的存在，研究还找出了连接近藤云层大小和近藤温度的比例因子。
提供对多个杂质系统的深入了解
研究团队在这项研究中花了近三年的时间，下一步是研究控制近藤云的不同方法，可以对该设备进行许多其他操作。例如，可以同时使用两种杂质，观察它们在云层重叠时的反应，研究人员希望这些发现能为理解多个杂质系统提供洞察，如近藤晶格、自旋玻璃和高转变温度超导体。


（上图所示）将从实验中收集的数据（绿色、蓝色和紫色点）与理论结果（红色十字）进行比较，它们在同一条曲线上对齐。图片：City University of Hong Kong / Nature
博科园｜研究/来自：香港城市大学
参考期刊《自然》
博科园｜科学、科技、科研、科普