幾十年來，物理學家一直在努力觀察“近藤雲”量子現象，包括香港城市大學一科學家在內的一個國際研究團隊，現在開發了一種新型設備，成功地測量了近藤雲的長度，甚至可以控制它。這一發現可以被視為凝聚態物理學的一個里程碑，並可能為理解高溫超導體等多重雜質系統提供更深洞察。
近藤雲是什麼？
香港城市大學物理系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士與來自德國、日本和韓國的科學家合作，其研究成果發表在《自然》期刊上。近藤效應是20世紀30年代發現的一種物理現象，在金屬中，隨著溫度的下降，電阻通常會下降。然而，如果金屬中有一些磁性雜質，就會出現相反結果。阻力首先會下降，但當溫度低於某一閾值溫度時，隨著溫度的進一步降低，電阻增大。
（上圖所示）近藤雲層探測的示意圖。圖片：Jeongmin Shim
50多年前，日本理論物理學家近藤俊(Jun Kondo)解決了這個難題，這種效應就是以他的名字命名：當一個磁性原子（上述雜質）被放入金屬內部時，它會有一個自旋。但是，它不是僅僅與一個電子耦合形成一對自旋向上和向下的電子，而是與其周圍某些區域內的所有電子共同耦合，形成圍繞雜質的一團電子——這被稱為近藤雲。當在其上施加電壓時，電子不能自由移動或被近藤雲屏蔽，導致電阻增加。
近藤雲有多大？
近藤效應的一些基本性質已經被實驗證明，並被發現與近藤溫度（低溫下電阻開始上升的閾值溫度）有關。然而，對近藤雲長度的測量還沒有實現。從理論上講，近藤雲可以從半導體中的雜質擴散到幾微米範圍內。探測近藤雲的困難在於，測量近藤效應中的自旋相關性，需要幾十吉赫茲的快速探測。進行這項研究實驗測量的博澤內茨博士解釋說：而且不能凍結時間來觀察和測量每一個單獨的電子。
隔離設備中的單個近藤雲
得益於納米技術的進步，研究小組製造了一種裝置，可以將不成對的電子自旋（磁性雜質）限制在量子點中，就像直徑只有幾百納米的小導電島一樣，由於量子點非常小，可以確切地知道雜質在哪裡。與量子點相連的是一維長通道，未成對的電子，被收縮成與這個通道中的電子耦合，在那裡形成一個近藤雲。
（上圖所示）該器件由一個耦合到一維通道的量子點組成，其中三個門分別嵌入到距離量子點1.4μm、3.6μm和6.1μm的位置，以形成勢壘。圖片：University of Hong Kong / Nature
這樣就可以在單一雜質周圍隔離出一個近藤雲，而且也可以控制雲的大小。該系統的新奇之處在於，通過在距離量子點不同距離通道內的不同點上施加電壓，它們沿著通道誘導出“弱勢壘”。研究人員隨後觀察了電子流量和近藤效應隨勢壘強度和位置變化而產生的變化。通過改變電壓，研究發現，不管他們把柵欄放在哪裡，電導率都是起伏不定的。
秘訣在於振盪幅度
當電導出現振盪時，測得的近藤溫度也出現振盪。當研究人員繪製近藤溫度的振盪幅度與離雜質勢壘距離除以理論雲層長度時發現，正如理論上預期的那樣，所有數據點都落在一條曲線上。研究已經從實驗上證實了近藤雲微米尺度的原始理論結果，首次通過直接測量近藤雲層長度證明了雲層的存在，研究還找出了連接近藤雲層大小和近藤溫度的比例因子。
提供對多個雜質系統的深入瞭解
研究團隊在這項研究中花了近三年的時間，下一步是研究控制近藤雲的不同方法，可以對該設備進行許多其他操作。例如，可以同時使用兩種雜質，觀察它們在雲層重疊時的反應，研究人員希望這些發現能為理解多個雜質系統提供洞察，如近藤晶格、自旋玻璃和高轉變溫度超導體。
（上圖所示）將從實驗中收集的數據（綠色、藍色和紫色點）與理論結果（紅色十字）進行比較，它們在同一條曲線上對齊。圖片：City University of Hong Kong / Nature
博科園｜研究/來自：香港城市大學
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6
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