Когда в твердом теле взаимодействуют спины — собственные моменты импульса элементарных частиц, — рождаются эффекты, которых у отдельных частиц нет. Один из них — эффект Кондо: квантовое взаимодействие между спинами и электронами меняет магнитные и электронные свойства материала ниже характеристической температуры Кондо.
В таких материалах электроны обладают не только спином, но и могут перемещаться по орбиталям. При большом количестве взаимодействий внутри материала ученым становится трудно выделить влияние именно спиновых эффектов, ответственных за эффект Кондо. В 1977 году Себастьян Дониах (Sebastian Doniach) предложил модель «ожерелья Кондо», описывающую эффект с упрощениями. Хотя модель хороша как концепция для исследования квантовых состояний вещества, экспериментально ее не могли реализовать до недавнего времени.
Группа физиков из Высшей школы естественных наук при Столичном университете Осаки (Япония) успешно создала материал с новым типом «ожерелья Кондо». При его исследовании выяснилось, что при увеличении локализованного спина с 1/2 до 1 эффект Кондо начинает «работать в обратную сторону» — магнитная упорядоченность и магнетизм в материале растут. Статья ученых опубликована в журнале Communications Materials.
Этот результат опровергает традиционный взгляд, согласно которому эффект Кондо подавляет магнетизм, связывая свободные спины в синглеты — состояние с полным спином, равным нулю. При спине ½ спины спариваются и «отменяют» друг друга, поэтому магнетизм материала не усиливается.
Оказалось, при спинах больше 1/2 большие спины не компенсируются полностью, остаточные спины могут взаимодействовать и организовывать магнитный порядок. 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.
По мнению ученых, это открытие предоставляет первое прямое экспериментальное доказательство того, что функция эффекта Кондо фундаментально зависит от величины спина. Вещество для эксперимента теоретически спроектировали в системе молекулярного дизайна RaX-D и создали гибридный материал из органических радикалов и ионов никеля.
«Открытие квантового принципа, зависящего от величины спина в эффекте Кондо, открывает целую 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 Ямагути (Hironori Yamaguchi).
Контроль над тем, станет ли решетка Кондо магнитной или немагнитной, крайне важен для будущих квантовых технологий — это способ управлять квантовой запутанностью, магнитным шумом и квантово-критическими явлениями, важными для стабильной работы квантовых компьютеров и сенсоров.