В мире физики конденсированного состояния самые необычные явления возникают, когда множество квантовых частиц начинают взаимодействовать как единое целое. Поведение отдельного квантового спина – своего рода микроскопического магнита – относительно просто, но когда спины начинают влиять друг на друга в масштабах всего материала, могут рождаться совершенно новые коллективные эффекты. Объяснение этих взаимодействий остается одной из центральных задач современной науки.
Одним из важнейших таких феноменов является эффект Кондо, описывающий взаимодействие локализованных квантовых спинов с подвижными электронами. Это явление играет ключевую роль в формировании свойств многих квантовых систем. Однако выделить его в чистом виде в реальных материалах чрезвычайно сложно, поскольку электроны обладают не только спином, но и зарядом, а также занимают различные орбитали. Это вносит дополнительные переменные, которые мешают изучению фундаментальных спиновых взаимодействий.
Чтобы обойти эту сложность, физики почти полвека полагались на теоретическую модель «ожерелья Кондо», предложенную еще в 1977 году. Эта модель исключает движение электронов и орбитальные эффекты, оставляя для изучения только систему взаимодействующих спинов. Несмотря на ее значимость, экспериментально реализовать такую систему не удавалось на протяжении десятилетий. Ученым из Университета Осаки под руководством доцента Хиронори Ямагути наконец удалось ответить на давний вопрос: одинаково ли проявляется эффект Кондо для спинов разного размера?
Исследовательская группа создала новый тип «ожерелья Кондо», используя тщательно спроектированный органико-неорганический гибридный материал. Ранее команда уже добилась успеха в построении системы со спином размером 1/2. В своей последней работе они расширили эксперимент, увеличив локализованный спин до 1. Результаты оказались неожиданными: термодинамические измерения показали четкий фазовый переход, при котором система перешла в магнитоупорядоченное состояние.
Долгое время считалось, что эффект Кондо в основном подавляет магнетизм, «связывая» спины в так называемые синглеты – максимально запутанные пары с нулевым суммарным спином. Новые данные опровергают эту традиционную точку зрения. Оказалось, что когда размер локализованного спина превышает 1/2, то же самое взаимодействие Кондо не ослабляет, а, наоборот, активно способствует возникновению магнитного порядка. Сравнив системы со спином 1/2 и 1, ученые обнаружили четкую квантовую границу: эффект Кондо всегда формирует немагнитные синглеты для спинов 1/2, но стабилизирует магнитный порядок для спинов размером 1 и выше.
«Открытие этого квантового принципа, зависящего от размера спина, открывает совершенно новую область исследований в области квантовых материалов», – заявил Ямагути. Эта работа впервые предоставляет прямое экспериментальное доказательство того, что роль эффекта Кондо фундаментально зависит от величины спина. Возможность переключать квантовые состояния материала между немагнитным и магнитным режимами путем контроля размера спина представляет собой мощную стратегию для разработки квантовых технологий нового поколения, включая устройства для квантовой информации и вычислений.
