Физики установили, что точно изготовленный гибридный материал демонстрирует границу эффекта Кондо, соответствующую спину 1/2. В пределах этой границы эффект Кондо ослабляет магнетизм материала, а за её пределами – усиливает его.
Взаимодействие спинов – собственных моментов импульса элементарных частиц – в твердом теле приводит к возникновению явлений, не наблюдаемых у отдельных частиц. К ним относится эффект Кондо: квантовое взаимодействие между спинами и электронами модифицирует магнитные и электронные характеристики вещества при температурах, пониженных ниже критического значения Кондо.
В подобных структурах электроны характеризуются не только спином, но и способностью к перемещению по орбиталям. Когда количество взаимодействий внутри материала значительно возрастает, ученым становится сложно выделить влияние именно спиновых эффектов, ответственных за эффект Кондо. В 1977 году Себастьян Дониах ( Sebastian Doniach) предложил модель «ожерелья Кондо», которая упрощает описание этого эффекта. Несмотря на то, что модель является полезной для изучения квантовых состояний вещества, ее практическая реализация была невозможна до недавнего времени.
Японские физики из Высшей школы естественных наук при Столичном университете Осаки разработали материал, демонстрирующий новый вид «ожерелья Кондо». В ходе изучения материала было установлено, что увеличение локализованного спина с 1/2 до 1 приводит к изменению эффекта Кондо – магнитная упорядоченность и магнетизм в нём усиливаются. Результаты работы ученых опубликована в журнале Communications Materials.
Полученные данные противоречат общепринятой точке зрения, утверждающей, что эффект Кондо подавляет магнетизм за счёт объединения несвязанных электронных спинов в синглеты – состояние с нулевым суммарным спином. В случае спина ½ электроны группируются и взаимно компенсируют друг друга, что препятствует усилению магнитного момента вещества.
Выяснилось, что при спинах, превышающих половину от общего числа, компенсация не является полной, и остаточные спины способны к взаимодействию, приводящему к формированию магнитного порядка. Проводятся термодинамические измерения выявили резкий фазовый переход в магнитное упорядоченное состояние при переходе спина из величины 1/2 в 1. Это происходит потому, что кондовская связь опосредует эффективное магнитное взаимодействие между моментами со спином 1, и так происходит стабилизация дальнего магнитного порядка в материале.
Ученые утверждают, что это открытие стало первым прямым экспериментальным подтверждением связи функции эффекта Кондо с величиной спина. Материал для эксперимента был разработан на основе теоретического моделирования в рамках системы молекулярного дизайна RaX-D и создали гибридный материал из органических радикалов и ионов никеля.
«Выявление квантового принципа, определяемого величиной спина в эффекте Кондо, открывает принципиально новую сферу изучения квантовых материалов. Возможность перевода квантовых состояний между немагнитным и магнитным режимами путем управления величиной спина является перспективной стратегией для разработки материалов будущего», — подчеркнул профессор Хиронори Ямагути ( Hironori Yamaguchi).
Определение того, будет ли решетка Кондо обладать магнитными свойствами или останется немагнитной, имеет решающее значение для перспективных квантовых технологий — это способ управлять квантовой запутанностью, магнитным шумом и квантово-критическими явлениями, важными для стабильной работы квантовых компьютеров и сенсоров.