全球首次实验观测到 “近藤云”量子现象
数十年来，物理学家一直试图观察称为 “近藤云”（Kondo cloud）的量子现象。一支包括香港城市大学（香港城大）科学家在内的国际研究团队最近开发了一种新器件，成功测量近藤云的长度，甚至可以控制近藤云。其研究成果可以被视为凝聚态物理学范畴的一个里程碑，并且有望为进一步了解多重掺杂系统如高温超导体，带来新启示。
香港城大物理学系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士与德国、日本和韩国的科学家连手，取得上述突破。相关研究结果在最新一期的权威科学期刊《自然》上发表，题为〈Observation of the Kondo screening cloud〉 。
什么是近藤云？
近藤效应（Kondo effect）是1930年代由科学家发现的一种物理现象。金属的电阻会随温度变化，一般而言，随着温度下降，电阻亦会下降。不过，如果金属掺有一些磁性杂质，结果则会相反。电阻先会下降，然后当温度低于某个临界值，电阻反而会随着温度的进一步降低而增加。
日本理论物理学家近藤淳（Jun Kondo）于五十多年前解开了这个谜团，因此该效应以他的名字命名。他解释，置于金属内的磁性原子（杂质原子）具备一种物理特性，称为自旋（spin）。但是它不仅会与另一电子耦合（couple）成为一组具有 “向上”和 “向下”的自旋对，还会与附近一定范围内的所有电子耦合，从而在杂质的周围形成一团电子云。这团电子云就是近藤云。因此，当在近藤云上施加电压时，电子要么无法自由移动，要么被近藤云所屏蔽，从而导致电阻增加。
近藤云到底有多大？
近藤效应的部分基本特性已由实验阐明，并发现与近藤温度（Kondo temperature，意即电阻在低温下开始升高的临界温度）相关。但是，科学家仍未真正量度到近藤云的长度。理论上，近藤云可以由半导体中的杂质延展到几微米的范围。
“探测近藤云的困难，在于需要以高达万兆赫的高速，去量度近藤效应中的自旋关联性，而你无法凝住时间来观察和测量单个电子。”在这次研究中负责实验测量部分的Borzenets博士解释。素来喜欢进行复杂实验的他，毅然决定接受这项挑战。
以特制器件分离单一近藤云
有赖纳米技术的进步，研究团队制作出一个器件，可以将单个电子自旋（磁性杂质）局限在直径仅几百纳米、犹如导电微区（conducting island）一样的 “量子点”（quantum dot）里。Borzenets博士说：“由于量子点非常细小，因此你可以确实地知道杂质在哪里。”
而接连着量子点的，是一条一维长通道。由于在量子点里的单个电子只能与通道内的电子产生耦合，因而形成近藤云。他解释说： “这样我们便成功在杂质附近分离出单一近藤云，也可以控制云的大小。”
这套系统的新颖之处是，研究人员可以在通道内，从量子点不同距离的位置上施加电压，在通道上形成弱的势垒或屏障（weak barriers）。然后研究人员观察衍生的电子流动变化，以及随着电压强度和施加位置的变化而产生的近藤效应。
秘密藏于起伏幅度
研究人员发现，通过改变电压，无论屏障处于哪个位置，电导率都会上升或下降。而当电导出现起伏时，量度得的近藤温度也出现起伏。
研究人员继而把纪录所得的近藤温度起伏幅度，相对于屏障与杂质距离除以近藤云理论长度值所得的比值数据，绘制成图。他们发现所有数据点都符合理论的推算，落在同一条曲线上。 Borzenets博士说： “我们通过实验证实了按原先理论所推算的近藤云长度数值：长度是以微米计。＂
“我们首次通过直接量度近藤云的长度，而证明它的存在，我们并找出了近藤云长度与近藤温度之间的比例因子（proportionality factor）。＂他总结道。
对多重掺杂系统的启示
研究团队花了将近三年时间完成这项研究，计划下一步研究控制近藤效应状态的不同方法。Borzenets博士说：“我们可利用这新器件进行许多其他的操控，例如可以同时使用两个杂质，看看当近藤云重叠时会有什么反应。我们希望这些发现能为理解多重掺杂系统，例如近藤晶格、自旋玻璃和高温超导体带来启示。」
Borzenets博士、来自韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）的Sim Heung-Sun教授和日本理化学研究所创发物性科学研究中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science, CEMS）的山本伦久博士是论文的共同通讯作者。Borzenets博士同时是第一作者，另一位共同第一作者是来自KAIST的Shim Jeongmin博士。 其他共同作者包括东京大学的Jason Chen C. H.，波鸿鲁尔大学（Ruhr-University Bochum）的Andreas D. Wieck教授和Arne Ludwig博士，以及RIKEN CEMS的樽茶清悟教授。
这项研究获得香港城大、香港研究资助局、日本科学研究费助成事业（科研费） 、日本科学技术振兴机构以及韩国国家研究基金会等资助。
DOI number: 10.1038/s41586-020-2058-6
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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