Точно собранный гибридный материал позволил физикам впервые наблюдать границу эффекта Кондо на уровне спина 1/2. До этой границы эффект подавляет магнитные свойства материала, а после неё — наоборот, усиливает их.

Что такое эффект Кондо

Когда в твёрдом теле взаимодействуют спины — собственные моменты импульса элементарных частиц, — возникают явления, которых не бывает у отдельных частиц. Одно из таких явлений — эффект Кондо: квантовое взаимодействие между спинами и электронами изменяет магнитные и электронные свойства материала при температурах ниже характерной температуры Кондо.

В подобных материалах электроны обладают не только спином, но и могут перемещаться по орбиталям. При большом количестве взаимодействий внутри вещества учёным сложно выделить влияние именно спиновых эффектов, ответственных за эффект Кондо. В 1977 году Себастьян Дониах предложил модель «ожерелья Кондо», которая упрощённо описывает этот эффект. Несмотря на её теоретическую ценность, реализовать такую модель экспериментально удалось только недавно.

Прорыв японских учёных

Группа физиков из Высшей школы естественных наук при Столичном университете Осаки (Япония) успешно создала материал с новым типом «ожерелья Кондо». В ходе исследований выяснилось, что при увеличении локализованного спина с 1/2 до 1 эффект Кондо начинает работать в обратную сторону: магнитная упорядоченность и магнитизм в материале возрастают. Результаты работы опубликованы в журнале Communications Materials.

Этот вывод опровергает традиционное представление, согласно которому эффект Кондо подавляет магнитизм, связывая свободные спины в сингелеты — состояния с полным спином, равным нулю. При спине 1/2 спины спариваются и «гасят» друг друга, поэтому магнитизм материала не усиливается.

Новое понимание спиновых взаимодействий

Оказалось, что при спинах больше 1/2 полная компенсация невозможна: остаточные спины могут взаимодействовать и формировать магнитный порядок. Термо-динамические измерения показали резкий фазовый переход к магнитно-упорядоченному состоянию при переходе спина от 1/2 к 1. Это происходит потому, что кондовская связь опосредует эффективное магнитное взаимодействие между моментами со спином 1, что стабилизирует дальний магнитный порядок в материале.

По мнению учёных, это открытие стало первым прямым экспериментальным подтверждением того, что функция эффекта Кондо фундаментально зависит от величины спина. Для эксперимента вещество было теоретически спроектировано с помощью системы молекулярного дизайна RaX-D и создано из органических радикалов и ионов никеля.

Перспективы для квантовых технологий

«Открытие квантового принципа, зависящего от величины спина в эффекте Кондо, открывает новую область исследований квантовых материалов. Возможность переключать квантовые состояния между немагнитным и магнитным режимами, контролируя величину спина, представляет собой мощную стратегию проектирования материалов следующего поколения», — отметил профессор Хиронори Ямагучи.

Контроль над тем, будет ли решётка Кондо магнитной или немагнитной, крайне важен для будущих квантовых технологий. Это позволяет управлять квантовой запутанностью, магнитным шумом и квантово-критическими явлениями, что критично для стабильной работы квантовых компьютеров и сенсоров.