Niespodziewany mechanizm ukryty w materii kwantowej
Przez długi czas przyjmowano, że efekt Kondo działa jak uniwersalny wyłącznik magnetyzmu. Jego istotą jest łączenie spinów w pary, które się wzajemnie znoszą, co prowadzi do zaniku właściwości magnetycznych materiału w bardzo niskich temperaturach. To zjawisko uważano za dobrze opisane i przewidywalne. Badacze z Osaka Metropolitan University pod kierunkiem Hironori Yamaguchiego postanowili jednak zweryfikować ten model w bardziej złożonym układzie. Wykorzystali specjalnie zaprojektowany materiał hybrydowy, który pozwolił im po raz pierwszy w praktyce zbadać teoretyczny model znany jako „naszyjnik Kondo”. Koncepcja ta, stworzona w 1977 roku przez Sebastiana Doniacha, długo czekała na eksperymentalną realizację.
Czytaj też: Symulacje kwantowe na laptopach. Fizycy upraszczają skomplikowane obliczenia
Klucz do całego zamieszania okazał się niezwykle subtelny. Chodzi o rozmiar spinu, czyli fundamentalnej własności cząstek elementarnych. Dla najprostszego przypadku, gdy spin ma wartość 1/2, klasyczny opis efektu Kondo sprawdza się. Spiny rzeczywiście parują się i magnetyzm zanika. Problem pojawia się, gdy wartość spinu jest większa niż 1/2. W takiej sytuacji większe spiny nie są w stanie całkowicie się zneutralizować. Pozostają „wolne” momenty magnetyczne, które zaczynają ze sobą oddziaływać. Paradoksalnie, zamiast tłumić magnetyzm, efekt Kondo może wtedy sprzyjać jego powstawaniu. To zasadnicza różnica, która burzy dotychczasowe rozumienie zjawiska.
Rozmiar spinu ma kluczowe znaczenie dla zachowania systemu. Przy spinie-1/2, w pełni kwantowe spiny łączą się w pary i wzajemnie się znoszą, więc nie pojawia się magnetyzm. Przy spinie większym niż 1/2, większe spiny nie mogą się w pełni znieść, pozostawiając niewykorzystane spiny, które mogą oddziaływać i tworzyć porządek magnetyczny – wyjaśniają przedstawiciele Osaka Metropolitan University
Zespół użył materiału zawierającego jony niklu o spinie-1 oraz rodniki verdazylowe o spinie-1/2. Pomiary ujawniły przejście fazowe do stanu uporządkowanego magnetycznie w temperaturze 1,2 kelwina. Naukowcy zaobserwowali też, że pole magnetyczne o indukcji około 2 tesli wywołuje kolejne, kwantowe przejście fazowe, co zgadza się z teoretycznymi przewidywaniami.
Co to oznacza dla przyszłych technologii?
Odkrycie tej podwójnej natury efektu Kondo otwiera nowe możliwości w inżynierii materiałowej. Możliwość przełączania między stanem niemagnetycznym a magnetycznym poprzez kontrolę wartości spinu daje teoretyczne narzędzie do precyzyjnego projektowania właściwości kwantowych. Chodzi o parametry kluczowe dla stabilności przyszłych urządzeń, takie jak poziom szumu magnetycznego czy trwałość splątania kwantowego.
Perspektywa jest interesująca, choć wykonywanie laboratoryjnego pomiaru w temperaturach bliskich zera absolutnego jest zdecydowanie łatwiejsze od praktycznego zastosowania w stabilnych komponentach. To odkrycie raczej koryguje naszą mapę wiedzy, wskazując nowy, niezbadany kierunek, niż oferuje gotowe rozwiązania. Niemniej, każda tak fundamentalna korekta teorii jest bezcennym krokiem naprzód. Ostateczny efekt może się jednak stać widoczny dopiero za kilka lat.