В квантовых материалах коллективное взаимодействие множества частиц часто порождает эффекты, которые невозможно предсказать, изучая каждую частицу по отдельности. Эффект Кондо описывает, как локализованные в материале спины взаимодействуют с подвижными электронами, что играет ключевую роль в формировании необычных свойств таких материалов. Однако в реальных веществах этот эффект трудно выделить, поскольку электроны не только обладают спином, но и движутся, занимая различные орбитали, что создает запутанный клубок взаимодействий.
Чтобы преодолеть эту сложность, физики десятилетиями использовали упрощенные теоретические модели. Одна из самых влиятельных — модель «ожерелья Кондо», предложенная в 1977 году. Она абстрагируется от движения электронов и орбитальных эффектов, фокусируясь исключительно на взаимодействии спинов.
Хотя эта модель была мощным теоретическим инструментом, ее полная экспериментальная реализация долгое время оставалась недостижимой.
Команде под руководством доцента Хиронори Ямагути удалось решить эту задачу, сообщает Scitech Daily. Они создали новый вариант «ожерелья Кондо», используя специально спроектированный гибридный органическо-неорганический материал на основе органических радикалов и ионов никеля. Для этого была применена молекулярная платформа RaX-D, позволяющая с высокой точностью контролировать кристаллическую структуру и магнитные взаимодействия.
Ранее команда реализовала систему со спином ½. В своей новой работе они расширили подход к системе, где локализованный спин увеличился до 1. Измерения термодинамических свойств выявили четкий фазовый переход, указывающий на возникновение упорядоченного магнитного состояния. Последующий квантовый анализ показал, что связь Кондо создает эффективное магнитное взаимодействие между моментами спина 1, что стабилизирует дальний магнитный порядок во всей системе.
Долгое время считалось, что эффект Кондо в основном подавляет магнетизм, спаривая спины в синглеты — максимально запутанное состояние с нулевым суммарным спином. Новые результаты показывают, что когда локализованный спин превышает ½, то же самое кондовское взаимодействие не ослабляет магнетизм, а, наоборот, активно поддерживает магнитный порядок.
Сравнивая системы со спином ½ и 1 в чистой, «спиновой» платформе, исследователи обнаружили чёткую квантовую границу. В системах со спином ½ эффект Кондо всегда порождает локальные синглеты, а в системах со спином 1 и выше он способствует установлению стабильного магнитного порядка. Это первое прямое экспериментальное доказательство того, что фундаментальная роль эффекта Кондо зависит от размера спина.
«Обнаружение квантового принципа, зависящего от размера спина в эффекте Кондо, открывает совершенно новую область исследований в квантовых материалах, — заявил Ямагути. — Возможность переключать квантовые состояния между немагнитным и магнитным режимами, контролируя размер спина, представляет собой мощную стратегию проектирования материалов следующего поколения».
Исследовательская группа из Германии совершила поразительное открытие в теоретической физике, продемонстрировав, что один из ее важнейших законов не выполняется для атомных объектов, физические свойства которых взаимосвязаны. Результаты, полученные учеными, показывают, что квантовые системы могут превосходить предел эффективности, заданный принципом Карно.
