用人造原子和一维电线解决了近藤效应之谜

科隆大学的一个物理学家团队解决了凝聚态物理的一个长期存在的问题：他们直接观察到单个人造原子中可见的近藤效应(磁性杂质引起金属中的电子重新分组)。这在过去尚未成功完成，因为大多数测量技术通常无法直接观察原子的磁轨道。

然而，由科隆大学实验物理研究所WouterJolie博士领导的国际研究小组使用了一种新技术，观察了漂浮在石墨烯金属片上方的一维导线内的人工轨道中的近藤效应。他们在《自然物理学》上发表的文章“沿单层MoS2磁镜孪晶边界进行调制近藤筛选”中报告了他们的发现。

当穿过金属的电子遇到磁性原子时，它们会受到原子自旋(基本粒子的磁极)的影响。在试图屏蔽原子自旋的影响时，电子海在原子附近聚集在一起，形成一种新的多体态，称为近藤共振。

这种集体行为被称为近藤效应，通常用于描述金属与磁性原子的相互作用。然而，其他类型的相互作用可能会导致非常相似的实验特征，从而质疑近藤效应对表面上单个磁性原子的作用。

物理学家使用了一种新的实验方法来证明他们的一维导线也受到近藤效应的影响：被困在导线中的电子形成驻波，可以被认为是延伸的原子轨道。

这个人造轨道、它与电子海的耦合，以及轨道和海洋之间的共振跃迁都可以用扫描隧道显微镜成像。该实验技术使用锋利的金属针以原子分辨率测量电子。这使得该团队能够以无与伦比的精度测量近藤效应。

“表面上有磁性原子，就像一个从未见过大象的人试图通过在黑暗的房间里触摸它一次来想象它的形状的故事。如果你只感觉到鼻子，你会想象一种完全不同的动物进行实验的博士生卡米尔·范·埃弗伦(CamielvanEfferen)说：“很长一段时间以来，只测量了近藤共振。但对于这些测量中观察到的信号可能有其他解释，就像大象的鼻子也可能是蛇一样。”

实验物理研究所的研究小组专门研究二维材料(仅由几层原子组成的晶体固体)的生长和探索，例如石墨烯和单层二硫化钼(MoS2)。他们发现，在两个MoS2晶体(其中一个是另一个的镜像)的界面处，形成了一条金属原子线。

利用扫描隧道显微镜，他们可以在-272.75°C(0.4开尔文)的惊人低温下同时测量磁态和近藤共振，此时近藤效应就出现了。

朱莉补充道：“虽然我们的测量毫无疑问地表明我们观察到了近藤效应，但我们还不知道我们的非常规方法与理论预测的比较效果如何。”为此，该团队得到了两位理论物理学家的帮助，即科隆大学的AchimRosch教授博士和于利希研究中心的TheoCosti博士，他们都是近藤物理学领域的世界知名专家。

在于利希的超级计算机中处理实验数据后，事实证明，可以根据磁线中人造轨道的形状准确预测近藤共振，验证了凝聚态物理学奠基人之一几十年前的预测，菲利普·W·安德森。

科学家们现在计划利用磁线来研究更奇特的现象。CamielvanEfferen解释说：“将我们的一维线放置在超导体或量子自旋液体上，我们可以创建从电子以外的其他准粒子中出现的多体态。”“现在可以清楚地看到这些相互作用产生的令人着迷的物质状态，这将使我们能够在一个全新的水平上理解它们。”