а — Кондо-связь графена (ванна) с невырожденными состояниями (примесью), удерживаемыми вдоль МТБ MoS₂. Указаны энергия Ферми EF и энергия Кулона U. Электрон внутри самого высокого занятого состояния обозначен стрелкой.
b — Атомно-разрешенная топография однослойного островка MoS₂ на графене с двумя МТБ длиной 7,1 нм (слева) и 9,0 нм (справа), разделяющими зеркально-симметричные домены.
Фото: Физика природы (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02250-w

Команда физиков из Кёльнского университета решила давнюю проблему физики конденсированного состояния: они непосредственно наблюдали эффект Кондо (перегруппировку электронов в металле, вызванную магнитными примесями), видимый в одном искусственном атоме. В прошлом это не удавалось успешно делать, поскольку магнитные орбитали атомов обычно невозможно наблюдать напрямую с помощью большинства методов измерения.

Однако международная исследовательская группа под руководством доктора Воутера Джоли из Института экспериментальной физики Кёльнского университета использовала новую технику для наблюдения эффекта Кондо на искусственной орбитали внутри одномерной проволоки, плавающей над металлическим листом графена . О своем открытии они сообщают в статье «Модулируемое кондо-экранирование вдоль границ магнитных зеркальных двойников в монослое MoS₂», опубликованной в журнале Nature Physics.

Когда электроны, движущиеся через металл, сталкиваются с магнитным атомом, на них влияет спин атома — магнитный полюс элементарных частиц. Пытаясь экранировать влияние атомного спина, море электронов группируется рядом с атомом, образуя новое многочастичное состояние, которое называется резонансом Кондо.

Такое коллективное поведение известно как эффект Кондо и часто используется для описания металлов, взаимодействующих с магнитными атомами. Однако другие типы взаимодействий могут привести к очень похожим экспериментальным сигнатурам, ставящим под сомнение роль эффекта Кондо для одиночных магнитных атомов на поверхностях.

Физики использовали новый экспериментальный подход, чтобы показать, что их одномерные провода также подвержены эффекту Кондо: электроны, запертые в проводах, образуют стоячие волны, которые можно рассматривать как расширенные атомные орбитали.

Эту искусственную орбиталь, ее связь с электронным морем, а также резонансные переходы между орбиталью и морем можно отобразить с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В этом экспериментальном методе используется острая металлическая игла для измерения электронов с атомным разрешением. Это позволило команде измерить эффект Кондо с беспрецедентной точностью.

«С магнитными атомами на поверхностях это похоже на историю о человеке, который никогда не видел слона и пытается представить его форму, прикоснувшись к нему один раз в темной комнате. Если вы ощупаете только хобот, вы представите себе совершенно другое животное, чем если бы вы прикасались к боковой стороне», — сказал Камиэль ван Эфферен, докторант, проводивший эксперименты. «Долгое время измерялся только резонанс Кондо. Но могли быть и другие объяснения сигналов, наблюдаемых в этих измерениях, точно так же, как хобот слона тоже мог быть змеей».

Исследовательская группа Института экспериментальной физики специализируется на выращивании и исследовании 2D-материалов — кристаллических твердых тел, состоящих всего из нескольких слоев атомов, таких как графен и монослой дисульфида молибдена (MoS₂). Они обнаружили, что на границе раздела двух кристаллов MoS₂, один из которых является зеркальным отражением другого, образуется металлическая проволока из атомов.

С помощью своего сканирующего туннельного микроскопа они смогли одновременно измерять магнитные состояния и резонанс Кондо при удивительно низкой температуре -272,75°C (0,4 Кельвина), при которой проявляется эффект Кондо.

«Хотя наши измерения не оставили сомнений в том, что мы наблюдали эффект Кондо, мы еще не знали, насколько хорошо наш нетрадиционный подход можно сравнить с теоретическими предсказаниями», — добавила Джоли. Для этого команда заручилась помощью двух физиков-теоретиков , профессора доктора Ахима Роша из Кельнского университета и доктора Тео Кости из исследовательского центра Юлиха, оба всемирно известных экспертов в области физики Кондо.

После обработки экспериментальных данных на суперкомпьютере в Юлихе выяснилось, что резонанс Кондо можно точно предсказать по форме искусственных орбиталей в магнитных проводах, что подтвердило предсказание десятилетней давности одного из отцов-основателей физики конденсированного состояния. , Филип В. Андерсон.

Теперь ученые планируют использовать свои магнитные провода для исследования еще более экзотических явлений. «Размещая наши одномерные провода в сверхпроводнике или в квантовой спиновой жидкости, мы могли бы создавать состояния многих тел, возникающие из других квазичастиц, а не из электронов», — объяснил Камиэль ван Эфферен. «Теперь можно ясно увидеть удивительные состояния материи, возникающие в результате этих взаимодействий, что позволит нам понять их на совершенно новом уровне».