Предсказанное 90 лет назад облако Кондо увидели в лаборатории

Доктор Иван Борзенец, доцент Городского университета Гонконга, поставил эксперимент, в котором совместно с международной группой физиков наблюдал, как формируется и ведет себя облако Кондо. Кондо — фамилия японского физика-теоретика, в 1931 году впервые описавшего названный в его честь эффект Кондо.

Эффект Кондо — это физическое явление, наблюдаемое в металлах, содержащих примеси с магнитными свойствами. По мере достижения некоторой пороговой температуры, близкой к абсолютному нулю кельвинов, электрическое сопротивление металлов с примесями перестает падать при уменьшении температуры. После преодоления этого порога сопротивление с дальнейшим снижением температуры начинает возрастать. Увеличение сопротивления происходит из-за следующего механизма.

Атомы магнитных примесей в металлах имеют спин. Электроны у таких атомов не соединяются с электронами металла в пары, как это происходит обычно. Вместо этого электроны примесных атомов объединяются коллективно сразу со всеми электронами, занимающими определенную область — длину облака. Группа электронов вокруг атома примеси и есть облако Кондо. Если приложить к нему напряжение, то электроны не сдвинутся с места. Их будет экранировать облако. Так и возрастает сопротивление металла.

Эффект Кондо ранее был доказан экспериментально, однако наблюдать облако Кондо до настоящего момента не удавалось никому.

«Его сложно обнаружить потому, что корреляцию спинов электронов нужно измерять быстро — с гигагерцовой частотой, — пояснил Иван Борзенец, — сделать это одновременно для всех электронов невозможно».

Чтобы обойти эту трудность, команда ученых сконструировала особое устройство. С его помощью неспаренный спин электрона примесного атома ограничили в квантовой точке диаметром около нескольких сотен нанометров. К точке присоединили длинный одномерный канал, в котором неспаренный электрон примеси связывался с электронами металла в облако Кондо. Когда к разным точкам внутри канала прикладывали напряжение, вдоль него создавались барьеры, увеличивающие сопротивление. По изменениям сопротивления ученые определили размер области, где электроны облака Кондо препятствуют протеканию тока через металл, то есть измерили длину облака.

Следующий шаг физиков — контроль свойств облака Кондо. Начать они планируют с изучения двух перекрещивающихся облаков. Результаты исследований позволят лучше понять различные примесные системы, такие как решетки Кондо, спиновые стекла и сверхпроводники с высокой температурой перехода.