Los físicos han estado tratando de observar el fenómeno cuántico de la nube de Kondo durante muchas décadas. Un equipo de investigación internacional ha desarrollado recientemente un dispositivo novedoso que mide con éxito la longitud de la nube de Kondo e incluso permite controlarla. Los hallazgos pueden considerarse un hito en la física de la materia condensada, y puede proporcionar información para comprender múltiples sistemas de impurezas, como los superconductores de alta temperatura.

Este avance fue logrado por un equipo de investigadores del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente (CEMS), Universidad de la ciudad de Hong Kong (CityU), Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), la Universidad de Tokio, y Ruhr-University Bochum. Los resultados de su investigación se publicaron en Naturaleza .

¿Qué es la nube de Kondo?

El efecto Kondo es un fenómeno físico descubierto en la década de 1930. En metales, a medida que baja la temperatura, la resistencia eléctrica suele disminuir. Sin embargo, si hay algunas impurezas magnéticas en el metal, mostrará el resultado opuesto. La resistencia caerá al principio. Pero cuando está por debajo de un umbral de temperatura, la resistencia aumentará a medida que la temperatura disminuya aún más.

Este rompecabezas fue resuelto hace más de 50 años por Jun Kondo, un físico teórico japonés que dio nombre al efecto. Explicó que cuando un átomo magnético (una impureza) se coloca dentro de un metal, tiene un giro. Pero en lugar de simplemente acoplarse con un electrón para formar un par de spin-up y spin-down, se acopla colectivamente con todos los electrones dentro de algunas áreas a su alrededor, formando una nube de electrones que rodea la impureza; esto se llama la nube de Kondo. Cuando se aplica un voltaje sobre él, los electrones no son libres para moverse o están protegidos por la nube de Kondo, resultando en un aumento de la resistencia.

¿Qué tan grande es la nube?

Algunas propiedades básicas del efecto Kondo se han probado experimentalmente y se encontró que estaban relacionadas con la temperatura Kondo (la temperatura umbral donde la resistencia comienza a aumentar a baja temperatura). Sin embargo, la medición de la longitud de la nube de Kondo aún no se había logrado. Teóricamente la nube de Kondo puede extenderse a varios micrómetros de la impureza en los semiconductores. Profesor Heung-Sun Sim en el Departamento de Física, KAIST, el teórico que propuso el método para detectar la nube de Kondo, comentó que "la nube de espín observada es un objeto del tamaño de un micrómetro que tiene naturaleza de onda mecánica cuántica y entrelazamiento. Es por eso que la nube de espín no se ha observado a pesar de una larga búsqueda".

"La dificultad para detectar la nube de Kondo radica en el hecho de que medir la correlación de espín en el efecto Kondo requiere la detección rápida de decenas de gigahercios. Y no se puede congelar el tiempo para observar y medir cada uno de los electrones individuales, "explicó el Dr. Ivan Valerievich Borzenets, Profesor asistente en el Departamento de Física de CityU, quien realizó la medición experimental de esta investigación.

Aislar una única nube de Kondo en el dispositivo

Gracias al avance de la nanotecnología, el equipo de investigación fabricó un dispositivo que puede confinar un espín electrónico no apareado (impureza magnética) en un punto cuántico, como una pequeña isla conductora con un diámetro de sólo unos pocos cientos de nanómetros. "Dado que el punto cuántico es muy pequeño, puedes saber exactamente dónde está la impureza, "dijo el Dr. Borzenets.

La conexión al punto cuántico es un canal largo y unidimensional. El electrón desapareado está restringido para acoplarse a los electrones en este canal y formar una nube de Kondo allí ". De esta manera, aislamos una sola nube de Kondo alrededor de una sola impureza, y también podemos controlar el tamaño de la nube, " él explicó.

La novedad del sistema es que al aplicar un voltaje en diferentes puntos dentro del canal con varias distancias del punto cuántico, indujeron "barreras débiles" a lo largo del canal. Luego, los investigadores observaron el cambio resultante en el flujo de electrones y el efecto Kondo con diferentes fuerzas y posiciones de la barrera.

El secreto está en la amplitud de oscilación.

Al cambiar los voltajes, se encontró que la conductancia subía y bajaba, no importa dónde pongan las barreras. Y cuando hubo oscilaciones en la conductancia, Se observaron oscilaciones en la temperatura medida de Kondo.

Cuando los investigadores trazaron la amplitud de oscilación de la temperatura de Kondo frente a la distancia de barrera de la impureza dividida por la longitud teórica de la nube, encontraron que todos sus puntos de datos caen en una sola curva, como se esperaba teóricamente. "Hemos confirmado experimentalmente el resultado teórico original de la longitud de la nube de Kondo, que está en una escala micrométrica, ", dijo el Dr. Borzenets." Por primera vez, Hemos probado la existencia de la nube midiendo directamente la longitud de la nube de Kondo. Y descubrimos el factor de proporcionalidad que conecta el tamaño de la nube de Kondo y la temperatura de Kondo ".

Proporcionar información sobre múltiples sistemas de impurezas.

El equipo pasó casi tres años en esta investigación. Su siguiente paso es investigar diferentes formas de controlar el estado de Kondo. "Se pueden realizar muchas otras manipulaciones en el dispositivo. Por ejemplo, podemos usar dos impurezas al mismo tiempo, y vea cómo reaccionarán cuando las nubes se superpongan. Esperamos que los hallazgos puedan proporcionar información sobre la comprensión de múltiples sistemas de impurezas, como las celosías de Kondo, vidrios giratorios y superconductores de alta temperatura de transición ".

Según la Dra. Michihisa Yamamoto, Líder de equipo en RIKEN CEMS, quien lideró la colaboración internacional, "es muy satisfactorio haber podido obtener una imagen espacial real de la nube de Kondo, ya que es un verdadero avance para comprender varios sistemas que contienen múltiples impurezas magnéticas. Este logro solo fue posible gracias a la estrecha colaboración con los teóricos ".

"Se descubrió que el tamaño de la nube de Kondo en semiconductores es mucho mayor que el tamaño típico de los dispositivos semiconductores. Esto significa que la nube puede mediar interacciones entre espines distantes confinados en puntos cuánticos, que es un protocolo necesario para el procesamiento de información cuántica basado en espines de semiconductores. Esta interacción espín-espín mediada por la nube de Kondo es única ya que tanto su fuerza como su signo (dos espines favorecen la configuración paralela o antiparalela) son eléctricamente sintonizables. mientras que los esquemas convencionales no pueden revertir el signo. Esto abre una forma novedosa de diseñar el cribado y el entrelazamiento de giro, "Explicó el Dr. Yamamoto.

"Es notable desde un punto de vista fundamental y técnico que ahora se pueda crear un objeto cuántico tan grande, revisado, y detectado, "Concluyó el profesor Heung-Sun Sim.