حل مشکل فیزیک ماده متراکم توسط دانشمندان آلمانی
حل مشکل فیزیک ماده متراکم توسط دانشمندان آلمانی -تیمی از فیزیکدانان در دانشگاه کلن یک مشکل دیرینه فیزیک ماده متراکم را حل کرده اند: آنها مستقیماً اثر Kondo (گروه بندی مجدد الکترون ها در یک فلز ناشی از ناخالصی های مغناطیسی) را در یک اتم مصنوعی مشاهده کرده اند .
این امر در گذشته با موفقیت انجام نشده است، زیرا اوربیتال های مغناطیسی اتم ها معمولاً با اکثر تکنیک های اندازه گیری نمی توانند مستقیماً مشاهده شوند.
با این حال، تیم تحقیقاتی بین‌المللی به سرپرستی دکتر ووتر جولی در انستیتوی فیزیک تجربی دانشگاه کلن از تکنیک جدیدی برای مشاهده اثر کوندو در یک مدار مصنوعی در داخل یک سیم تک‌بعدی شناور در بالای ورقه‌ی فلزی گرافن استفاده کردند .
آنها کشف خود را در مقاله اخیر منتشر شده در Nature Physics گزارش می دهند .
درک اثر Kondo
هنگامی که الکترون هایی که در یک فلز حرکت می کنند با یک اتم مغناطیسی مواجه می شوند، تحت تأثیر اسپین اتم قرار می گیرند – قطب مغناطیسی ذرات بنیادی، در تلاش برای غربال کردن اثر اسپین اتمی، دریای الکترون در نزدیکی اتم گروه می شود و یک جدید را تشکیل می دهد.
حالت چند جسمی که به آن رزونانس کوندو می گویند.
این رفتار جمعی به عنوان اثر Kondo شناخته می شود و اغلب برای توصیف فلزات در تعامل با رزونانس کوندو استفاده می شود.
با این حال، انواع دیگر برهمکنش‌ها می‌توانند منجر به امضاهای آزمایشی بسیار مشابهی شوند که نقش اثر Kondo را برای اتم‌های مغناطیسی منفرد روی سطوح زیر سوال می‌برند.
تکنیک های نوآورانه تجربی
فیزیکدانان از یک رویکرد آزمایشی جدید استفاده کردند تا نشان دهند که سیم های تک بعدی آنها نیز در معرض اثر کوندو قرار دارند: الکترون های به دام افتاده در سیم ها امواج ایستاده را تشکیل می دهند که می توان آنها را به عنوان اوربیتال های اتمی توسعه یافته در نظر گرفت.
این اوربیتال مصنوعی، جفت شدن آن به دریای الکترونی و همچنین انتقال تشدید بین مدار و دریا را می توان با میکروسکوپ تونل زنی روبشی تصویربرداری کرد.
این تکنیک تجربی از یک سوزن فلزی تیز برای اندازه گیری الکترون های با قدرت تفکیک اتمی استفاده می کند. این به تیم این امکان را داده است که اثر Kondo را با دقتی بی نظیر اندازه گیری کند.
با وجود اتم‌های مغناطیسی روی سطوح، مانند داستان شخصی است که هرگز فیل را ندیده و سعی می‌کند با لمس کردن آن در یک اتاق تاریک شکل آن را تصور کند.
کامیل ون افرن، دانشجوی دکترا که این آزمایش‌ها را انجام داده است، می‌گوید: اگر فقط تنه را احساس کنید، حیوانی کاملاً متفاوت را تصور می‌کنید که در حال لمس پهلوی آن هستید.
“برای مدت طولانی، فقط رزونانس کوندو اندازه گیری می شد.
اما ممکن است توضیحات دیگری برای سیگنال های مشاهده شده در این اندازه گیری ها وجود داشته باشد، درست مانند خرطوم فیل که می تواند یک مار باشد.
گروه تحقیقاتی در موسسه فیزیک تجربی در رشد و اکتشاف مواد دو بعدی – جامدات کریستالی متشکل از تنها چند لایه اتم – مانند گرافن و دی سولفید مولیبدن تک لایه (MoS2) تخصص دارند.
آنها دریافتند که در رابط دو کریستال MoS2، که یکی از آنها تصویر آینه ای دیگری است، یک سیم فلزی از اتم ها تشکیل می شود.
آنها با میکروسکوپ تونلی روبشی خود، می‌توانند به طور همزمان حالت‌های مغناطیسی و تشدید کندو را در دمای حیرت‌انگیز پایین 272.75- درجه سانتی‌گراد (0.4 کلوین)، که در آن اثر کوندو ظاهر می‌شود، اندازه‌گیری کنند.
همبستگی نظریه با داده های تجربی
جولی افزود: “در حالی که اندازه گیری ما هیچ شکی در مورد مشاهده اثر کندو باقی نگذاشت، ما هنوز نمی دانستیم که رویکرد غیر متعارف ما چقدر می تواند با پیش بینی های نظری مقایسه شود.”
برای این کار، تیم از دو فیزیکدان نظری، پروفسور دکتر آخیم روش از دانشگاه کلن و دکتر تئو کوستی از Forschungszentrum Jülich، که هر دو از کارشناسان مشهور جهان در زمینه فیزیک کوندو هستند، کمک گرفت.
پس از خرد کردن داده‌های تجربی در ابررایانه در جولیخ، مشخص شد که تشدید کندو را می‌توان دقیقاً از روی شکل اوربیتال‌های مصنوعی در سیم‌های مغناطیسی پیش‌بینی کرد و پیش‌بینی دهه‌ها پیش‌بینی یکی از بنیان‌گذاران فیزیک ماده چگال را تأیید کرد.
اکنون دانشمندان در حال برنامه ریزی برای استفاده از سیم های مغناطیسی خود برای بررسی پدیده های عجیب و غریب تر هستند.
کامیل ون افرن توضیح داد: «با قرار دادن سیم‌های 1 بعدی خود روی یک ابررسانا یا روی یک مایع اسپین کوانتومی، می‌توانیم حالت‌های چند جسمی ایجاد کنیم که از شبه ذرات دیگر به جز الکترون‌ها پدید می‌آیند.
حالات شگفت‌انگیز ماده که از این فعل و انفعالات ناشی می‌شوند، اکنون به وضوح دیده می‌شوند، که به ما امکان می‌دهد آنها را در سطح کاملاً جدیدی درک کنیم.»
