Cercetătorii au descoperit o nouă frontieră în fizica cuantică

Cercetătorii au descoperit o nouă frontieră în fizica cuantică. Comportamentul colectiv este un fenomen neobișnuit în fizica materiei condensate. Atunci când spinii cuantici interacționează ca un sistem, apar efecte unice, care nu pot fi observate la particule individuale. Înțelegerea modului în care acești spini cuantici interacționează pentru a genera un astfel de comportament se află în centrul fizicii moderne a materiei condensate.

Printre aceste fenomene, efectul Kondo, adică interacțiunea dintre spinii localizați și electronii de conducție, are un rol esențial în numeroase procese cuantice.

• Mit sau realitate: Stretchingul înainte de activitatea fizică previne accidentările?
• Astronomii au surprins cum jetul unei găuri negre schimbă întreaga galaxie

În materialele reale însă, prezența sarcinilor suplimentare și a gradelor de libertate orbitale face dificilă izolarea mecanismului cuantic de bază din spatele efectului Kondo. Electronii nu au doar spin, ci se și deplasează și pot ocupa orbitali diferiți. Atunci când toate aceste comportamente se suprapun, devine greu să fie analizate separat interacțiunile de spin responsabile pentru efectul Kondo.

Ce este efectul Kondo?

Modelul „colierului Kondo”, propus în 1977 de către Sebastian Doniach, simplifică rețeaua Kondo prin concentrarea exclusivă asupra gradelor de libertate ale spinului. Acest model a fost considerat pentru mult timp o platformă conceptuală promițătoare pentru explorarea unor stări cuantice noi, însă realizarea sa experimentală a rămas o provocare deschisă timp de aproape jumătate de secol.

Una dintre întrebările-cheie este dacă efectul Kondo și comportamentele rezultate se modifică fundamental în funcție de mărimea spinului localizat. Înțelegerea acestui aspect este extrem de importantă pentru cercetarea materialelor cuantice, scrie EurekAlert.

O echipă condusă de profesorul asociat Hironori Yamaguchi, de la Graduate School of Science a Universității Metropolitane din Osaka (Japonia), a reușit să realizeze un nou tip de colier Kondo folosind un material hibrid organic-anorganic, proiectat cu mare precizie, alcătuit din radicali organici și ioni de nichel. Această realizare a fost posibilă datorită RaX-D, un cadru avansat de proiectare moleculară care permite controlarea exactă a aranjamentului molecular din cristal și al interacțiunilor magnetice rezultate.

O nouă frontieră în fizica cuantică a fost atinsă

Pornind de la realizarea anterioară a unui colier Kondo cu spin 1/2, cercetătorii au demonstrat că efectul Kondo se modifică calitativ atunci când spinul localizat este crescut de la 1/2 la 1. Măsurătorile termodinamice au indicat o tranziție clară către o stare magnetică ordonată.

Analiza cuantică a arătat că interacțiunea Kondo mediază o interacțiune magnetică efectivă între momentele de spin 1, stabilizând o ordine magnetică pe distanțe mari.

Acest rezultat răstoarnă viziunea tradițională conform căreia efectul Kondo suprimă magnetismul prin legarea spinilor liberi în singlete locale, stări maxim inseparabile cu spin total zero. Studiul arată că, atunci când spinul localizat este mai mare de 1/2, aceeași interacțiune Kondo favorizează, dimpotrivă, apariția ordinii magnetice.

Comparând direct realizările cu spin 1/2 și spin 1 într-o platformă curată, bazată exclusiv pe spin, cercetătorii au identificat o nouă limită cuantică: efectul Kondo formează inevitabil singlete locale pentru spinul 1/2, dar stabilizează ordinea magnetică pentru spinul 1 și valori mai mari.

Această nouă frontieră în fizica cuantică schimbă domeniul materialelor cuantice

Aceasta este prima dovadă experimentală directă că funcționarea efectului Kondo depinde fundamental de mărimea spinului.

„Descoperirea unui principiu cuantic dependent de mărimea spinului în cadrul efectului Kondo deschide o direcție complet nouă de cercetare în domeniul materialelor cuantice. Capacitatea de a comuta stările cuantice între regimuri nemagnetice și magnetice prin controlarea mărimii spinului reprezintă o strategie extrem de puternică pentru proiectarea materialelor cuantice de generație viitoare”, a declarat Yamaguchi.

Constatarea că efectul Kondo funcționează diferit în funcție de mărimea spinului oferă o perspectivă nouă asupra materiei cuantice și stabilește o bază conceptuală pentru dezvoltarea dispozitivelor cuantice bazate pe spin.

Controlarea caracterului magnetic sau nemagnetic al unei rețele Kondo este extrem de relevantă pentru tehnologiile cuantice viitoare, deoarece permite reglarea unor proprietăți esențiale precum inseparabilitatea cuantică, zgomotul magnetic și comportamentele critice cuantice. Cercetătorii speră că această nouă frontieră în fizica cuantică va duce la dezvoltarea unor noi materiale cuantice și, în cele din urmă, vor contribui la apariția tehnologiilor cuantice emergente, cum ar fi dispozitive pentru informație cuantică și calcul cuantic.

Studiul a fost publicat în Communications Materials.

Vă recomandăm să citiți și:

O companie din Rusia vrea să construiască o stație spațială capabilă să producă gravitație artificială

Telescopul SPHEREx a finalizat prima hartă cosmică a întregului cer

Pământul ar fi putut fi devastat de explozii spațiale „invizibile”

Ce au descoperit astronomii pe orbita unei stele antice?