Эксперимент впервые показал двойственную роль эффекта Кондо

Физики экспериментально показали, что один из ключевых квантовых эффектов способен менять свое действие на противоположное. При определенном значении спина он подавляет магнетизм, но стоит превысить критическую границу — и магнитный порядок начинает усиливаться. Это открытие уточняет фундаментальные представления о поведении квантовых материалов при низких температурах. Об этом сообщает издание Naked Science.

Где проходит граница эффекта Кондо

Эффект Кондо возникает в твердых телах, где локализованные спины взаимодействуют с движущимися электронами. Ниже так называемой температуры Кондо это квантовое взаимодействие радикально меняет электронные и магнитные свойства вещества. Классическое описание эффекта предполагает, что свободные спины связываются в синглеты и тем самым подавляют магнетизм материала.

Однако в реальных системах электроны обладают не только спином, но и сложной орбитальной динамикой, из-за чего изолировать вклад спиновых взаимодействий долгое время было крайне сложно.

Еще в 1977 году физик Себастьян Дониах предложил упрощенную теоретическую модель — "ожерелье Кондо", в которой цепочка локализованных спинов взаимодействует с проводящими электронами. Эта модель стала важным инструментом для понимания квантовых состояний вещества, но десятилетиями оставалась чисто теоретической конструкцией, не реализованной в эксперименте.

Эксперимент с "ожерельем Кондо"

Прорыв удалось совершить группе ученых из Высшей школы естественных наук Столичного университета Осаки. Исследователи синтезировали гибридный материал нового типа, в котором удалось реализовать физику "ожерелья Кондо" в контролируемом виде. Материал был создан на основе органических радикалов и ионов никеля и предварительно спроектирован с помощью молекулярной дизайнерской системы RaX-D.

Эксперименты показали, что при локализованном спине эффект Кондо ведет себя ожидаемым образом — подавляет магнитную упорядоченность. Однако при увеличении спина до 1 ситуация резко меняется. Магнетизм не только не исчезает, но, напротив, усиливается. Термодинамические измерения зафиксировали четкий фазовый переход при переходе от спина к спину 1, что указывает на принципиально иную роль кондовского взаимодействия в таких системах.

Почему магнетизм начинает расти

Физический механизм оказался связан с тем, что большие спины не могут полностью компенсироваться. Если при спине пары спинов эффективно "обнуляют" друг друга, то при более высоких значениях остается остаточный магнитный момент. Эти остаточные спины начинают взаимодействовать между собой через кондовскую связь, формируя устойчивый дальний магнитный порядок.

Подобные эффекты коллективного усиления уже обсуждаются в контексте фундаментальных частиц, включая сценарии, где эксперименты с аксионами демонстрируют неожиданные магнитные и квантовые отклики. Таким образом, эффект Кондо перестает быть фактором подавления магнетизма и превращается в механизм его стабилизации.

По мнению исследователей, это первое прямое экспериментальное доказательство того, что действие эффекта Кондо фундаментально зависит от величины спина. Такой результат меняет устоявшееся представление о природе этого квантового явления.

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.

Значение для квантовых технологий

Контроль над тем, будет ли решетка Кондо магнитной или немагнитной, имеет прикладное значение. Такие системы напрямую связаны с управлением квантовой запутанностью, магнитным шумом и квантово-критическими состояниями. Все эти факторы критически важны для разработки стабильных квантовых компьютеров, высокочувствительных сенсоров и других устройств нового поколения.

Открытие японских физиков показывает, что тонкая настройка спина может стать универсальным инструментом для управления свойствами сложных квантовых материалов. Это приближает физику конденсированного состояния к более предсказуемому и целенаправленному проектированию функциональных веществ.