Схема индуцированного полем расщепления магнитных резонансов и возбуждений. Серые линии показывают спектры d I /d U (вверху) и d ² I /d U ² (внизу) в нулевом поле, а красные (синие) пунктирные линии представляют большинство (меньшинство) вкладов расщепления магнитного поля. резонансы/возбуждения. Стрелки указывают направление сдвига при увеличении напряженности поля. 
a — кривая Фано, возникающая в результате резонанса Кондо. 
b — смещенно-симметричные ступени, отражающие неупругое туннелирование электронов, вызывающее возбуждение спина системы. Подобно особенностям кондо-системы, большинство (меньшинство) спиновых возбуждений смещаются в сторону более низких (более высоких) энергий. 
c — Напротив, спинарон, который заметно проявляется в виде пика в сигнале d ² I /d U ² мажоритарного канала, смещается в сторону более высоких энергий, несмотря на то, что имеет мажоритарный спиновый характер, тогда как все остальные особенности, представляющие спиновые возбуждения, смещаются, как показано в b.
Кредит: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02262-6.

Сверххолодный и сверхсильный: расширяя границы в лаборатории

Экстремальные условия царят в Вюрцбургской лаборатории физиков-экспериментаторов профессора Маттиаса Боде и доктора Артема Одобеско. Эти провидцы, являющиеся членами Кластера передового опыта ct.qmat, созданного в результате сотрудничества JMU Würzburg и TU Dresden, устанавливают новые вехи в квантовых исследованиях.

Их последняя попытка — раскрытие спинаронного эффекта. Они стратегически поместили отдельные атомы кобальта на медную поверхность, снизили температуру до 1,4 Кельвина (-271,75° по Цельсию), а затем подвергли их мощному внешнему магнитному полю. «Магнит, который мы используем, стоит полмиллиона евро. Это не то, что широко доступно», — говорит Боде. Их последующий анализ дал неожиданные открытия.

«Мы можем увидеть отдельные атомы кобальта с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Каждый атом имеет спин, который можно рассматривать как северный или южный магнитный полюс. Его измерение имело решающее значение для наших удивительных открытий», — объясняет Боде. «Мы нанесли из паровой фазы магнитный атом кобальта на немагнитную медную основу, заставив атом взаимодействовать с электронами меди». Исследование подобных корреляционных эффектов в квантовых материалах лежит в основе миссии ct.qmat — стремления, которое обещает в будущем революционные технологические инновации.

С 1960-х годов физики твердого тела предположили, что взаимодействие между кобальтом и медью можно объяснить эффектом Кондо, при котором разные магнитные ориентации атома кобальта и электронов меди компенсируют друг друга. Это приводит к состоянию, в котором электроны меди связываются с атомом кобальта, образуя так называемое «облако Кондо».

Однако Боде и его команда углубились в свою лабораторию. И они подтвердили альтернативную теорию, предложенную в 2020 году теоретиком Самиром Лунисом из исследовательского института Forschungszentrum Jülich.

Используя силу интенсивного внешнего магнитного поля и железный наконечник сканирующего туннельного микроскопа, физикам из Вюрцбурга удалось определить магнитную ориентацию спина кобальта. Это вращение не является жестким, а постоянно переключается вперед и назад, т. е. от «раскрутки» (положительной) к «вращению вниз» (отрицательной) и наоборот. Это переключение возбуждает электроны меди — явление, называемое спинаронным эффектом.

Боде поясняет это с помощью яркой аналогии: «Из-за постоянного изменения ориентации вращения состояние атома кобальта можно сравнить с мячом для регби. Когда мяч для регби непрерывно вращается в яме для мячей, окружающие мячи смещаются в Именно это мы и наблюдали — электроны меди начали колебаться в ответ и соединились с атомом кобальта.

«Эта комбинация изменяющейся намагниченности атома кобальта и связанных с ним электронов меди и есть спинарон, предсказанный нашим коллегой из Юлиха».

Первое экспериментальное подтверждение эффекта спинарона, любезно предоставленное командой Вюрцбурга, ставит под сомнение эффект Кондо. До сих пор она считалась универсальной моделью, объясняющей взаимодействие между магнитными атомами и электронами в квантовых материалах, таких как дуэт кобальт-медь. Боде шутит: «Пришло время поставить в учебниках по физике значительную звездочку».

Спинарон и спинтроника

При спинаронном эффекте атом кобальта остается в постоянном движении, сохраняя свою магнитную сущность, несмотря на взаимодействие с электронами. С другой стороны, при эффекте Кондо магнитный момент нейтрализуется взаимодействием электронов.

«Наше открытие важно для понимания физики магнитных моментов на металлических поверхностях», — говорит Боде. Заглядывая в будущее, такие явления могут проложить путь к магнитному кодированию и транспортировке информации в новых типах электронных устройств. Эта технология, получившая название «спинтроника», может сделать ИТ более экологичными и энергоэффективными.

Однако Боде умеряет ожидания, когда говорит о практичности этой комбинации кобальта и меди. «По сути, мы манипулировали отдельными атомами при сверхнизких температурах на чистой поверхности в сверхвысоком вакууме. Это невозможно для мобильных телефонов. Хотя эффект корреляции является переломным моментом в фундаментальных исследованиях для понимания поведения материи, я могу » Я не смогу построить из него настоящий переключатель».

В настоящее время квантовый физик из Вюрцбурга Артем Одобеско и теоретик из Юлиха Самир Лунис концентрируются на масштабном обзоре многочисленных публикаций, описывающих эффект Кондо в различных комбинациях материалов, начиная с 1960-х годов. «Мы подозреваем, что многие из них на самом деле могут описывать спинаронный эффект», — говорит Одобеско, добавляя: «Если это так, мы перепишем историю теоретической квантовой физики».