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香港城市大学科学家在全球首次实验观测到“近藤云”量子现象

香港城市大学科学家在全球首次实验观测到“近藤云”量子现象

香港城市大学科学家在全球首次实验观测到“近藤云”量子现象(Credit: Jeongmin Shim

(神秘的地球uux.cn报道)据EurekAlert!:数十年来,物理学家一直试图观察称为「近藤云」(Kondo cloud)的量子现象。 一支包括香港城市大学(香港城大)科学家在内的国际研究团队最近开发了一种新器件,成功测量近藤云的长度,甚至可以控制近藤云。 其研究成果可以被视为凝聚态物理学范畴的一个里程碑,并且有望为进一步了解多重掺杂系统如高温超导体,带来新启示。

香港城大物理学系助理教授Ivan V. Borzenets博士与德国、日本和韩国的科学家连手,取得上述突破。 相关研究结果在最新一期的权威科学期刊《自然》上发表。

什么是近藤云?

近藤效应(Kondo effect)是1930年代由科学家发现的一种物理现象。 金属的电阻会随温度变化,一般随着温度下降,电阻亦会下降。 不过,如果金属掺有一些磁性杂质,结果则会相反。 电阻先会下降,然后当温度低于某个临界值,电阻反而会随着温度的进一步降低而增加。

日本理论物理学家近藤淳(Jun Kondo)于五十多年前解开了这个谜团,因此该效应以他的名字命名。 他解释,置于金属内的磁性原子(杂质原子)具备一种物理特性,称为自旋(spin)。 但是它不仅会与另一电子耦合(couple)成为一组具有“向上”和“向下”的自旋对,还会与附近一定范围内的所有电子耦合,从而在杂质的周围形成一团电子云。 这团电子云就是近藤云。 因此,当在近藤云上施加电压时,电子要么无法自由移动,要么被近藤云所屏蔽,从而导致电阻增加。

近藤云到底有多大?

近藤效应的部分基本特性已由实验阐明,并发现与近藤温度(Kondo temperature,意即电阻在低温下开始升高的临界温度)相关。 但是,科学家仍未真正量度到近藤云的长度。 理论上,近藤云可以由半导体中的杂质延展到几微米的范围。

「探测近藤云的困难,在于需要以高达万兆赫的高速,去量度近藤效应中的自旋关联性,而你无法凝住时间来观察和测量单个电子。 」在这次研究中负责实验测量部分的Borzenets博士解释。 素来喜欢进行复杂实验的他,毅然决定接受这项挑战。

以特制器件分离单一近藤云

有赖纳米技术的进步,研究团队制作出一个器件,可以将单个电子自旋(磁性杂质)局限在直径仅几百纳米、犹如导电微区(conducting island)一样的「量子点」(quantum dot)里。 Borzenets博士说:「由于量子点非常细小,因此你可以确实地知道杂质在哪里。 」

而接连着量子点的,是一条一维长信道。 由于在量子点里的单个电子只能与信道内的电子产生耦合,因而形成近藤云。 他解释说:「这样我们便成功在杂质附近分离出单一近藤云,也可以控制云的大小。 」

这套系统的新颖之处是,研究人员可以在信道内,从量子点不同距离的位置上施加电压,在信道上形成弱的势垒或屏障(weak barriers)。 然后研究人员观察衍生的电子流动变化,以及随着电压强度和施加位置的变化而产生的近藤效应。

秘密藏于起伏幅度

研究人员发现,通过改变电压,无论势垒处于哪个位置,电导率都会上升或下降。 而当电导出现起伏时,量度得的近藤温度也出现起伏。

研究人员继而把纪录所得的近藤温度起伏幅度,相对于屏障与杂质距离除以近藤云理论长度值所得的比值数据,绘制成图。 他们发现所有数据点都符合理论的推算,落在同一条曲线上。 Borzenets博士说:「我们通过实验证实了按原先理论所推算的近藤云长度数值:长度是以微米计。 」

「我们首次通过直接量度近藤云的长度,而证明它的存在,我们并找出了近藤云长度与近藤温度之间的比例因子(proportionality factor)。 」他总结道。

对多重掺杂系统的启示

研究团队花了将近三年时间完成这项研究,计划下一步研究控制近藤效应状态的不同方法。 Borzenets博士说:「我们可利用这新器件进行许多其他的操控,例如可以同时使用两个杂质,看看当近藤云重迭时会有什么反应。 我们希望这些发现能为理解多重掺杂系统,例如近藤晶格、自旋玻璃和高温超导体带来启示。 」

Borzenets博士、来自韩国科学技术院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)的Sim Heung-Sun教授和日本理化学研究所创发物性科学研究中心(RIKEN Center for Emergent Matter Science, CEMS)的山本伦久博士是论文的共同通讯作者。 Borzenets博士同时是第一作者,另一位共同第一作者是来自KAIST的Shim Jeongmin博士。 其他共同作者包括东京大学的Jason Chen C. H.,波鸿鲁尔大学(Rurh-University Bochum)的Andreas D. Wieck教授和Arne Ludwig博士,以及RIKEN CEMS的樽茶清悟教授。

这项研究获得香港城大、香港研究资助局、日本科学研究费助成事业(科研费) 、日本科学技术振兴机构以及韩国国家研究基金会的资助。




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