全球首次實驗觀測到「近藤雲」量子現象
數十年來，物理學家一直試圖觀察稱為「近藤雲」（Kondo cloud）的量子現象。一支包括香港城市大學（香港城大）科學家在內的國際研究團隊最近開發了一種新器件，成功測量近藤雲的長度，甚至可以控制近藤雲。其研究成果可以被視為凝聚態物理學範疇的一個里程碑，並且有望為進一步了解多重摻雜系統如高溫超導體，帶來新啟示。
香港城大物理學系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士與德國、日本和韓國的科學家聯手，取得上述突破。相關研究結果在最新一期的權威科學期刊《自然》上發表，題為〈Observation of the Kondo screening cloud〉 。
什麼是近藤雲？
近藤效應（Kondo effect）是1930年代由科學家發現的一種物理現象。金屬的電阻會隨溫度變化，一般而言，隨著溫度下降，電阻亦會下降。不過，如果金屬摻有一些磁性雜質，結果則會相反。電阻先會下降，然後當溫度低於某個臨界值，電阻反而會隨著溫度的進一步降低而增加。
日本理論物理學家近藤淳（Jun Kondo）於五十多年前解開了這個謎團，因此該效應以他的名字命名。他解釋，置於金屬內的磁性原子（雜質原子）具備一種物理特性，稱為自旋（spin）。但是它不僅會與另一電子耦合（couple）成為一組具有「向上」和「向下」的自旋對，還會與附近一定範圍內的所有電子耦合，從而在雜質的周圍形成一團電子雲。這團電子雲就是近藤雲。因此，當在近藤雲上施加電壓時，電子要麼無法自由移動，要麼被近藤雲所屏蔽，從而導致電阻增加。
近藤雲到底有多大？
近藤效應的部分基本特性已由實驗闡明，並發現與近藤溫度（Kondo temperature，意即電阻在低溫下開始升高的臨界溫度）相關。但是，科學家仍未真正量度到近藤雲的長度。理論上，近藤雲可以由半導體中的雜質延展到幾微米的範圍。
「探測近藤雲的困難，在於需要以高達萬兆赫的高速，去量度近藤效應中的自旋關聯性，而你無法凝住時間來觀察和測量單個電子。」在這次研究中負責實驗測量部分的Borzenets博士解釋。素來喜歡進行複雜實驗的他，毅然決定接受這項挑戰。
以特製器件分離單一近藤雲
有賴納米技術的進步，研究團隊製作出一個器件，可以將單個電子自旋（磁性雜質）局限在直徑僅幾百納米、猶如導電微區（conducting island）一樣的「量子點」（quantum dot）裡。Borzenets博士說：「由於量子點非常細小，因此你可以確實地知道雜質在哪裡。」
而接連著量子點的，是一條一维長通道。由於在量子點裡的單個電子只能與通道內的電子產生耦合，因而形成近藤雲。他解釋說：「這樣我們便成功在雜質附近分離出單一近藤雲，也可以控制雲的大小。」
這套系統的新穎之處是，研究人員可以在通道內，從量子點不同距離的位置上施加電壓，在通道上形成弱的勢壘或屏障（weak barriers）。然後研究人員觀察衍生的電子流動變化，以及隨著電壓強度和施加位置的變化而產生的近藤效應。
秘密藏於起伏幅度
研究人員發現，通過改變電壓，無論屏障處於哪個位置，電導率都會上升或下降。而當電導出現起伏時，量度得的近藤溫度也出現起伏。
研究人員繼而把紀錄所得的近藤溫度起伏幅度，相對於屏障與雜質距離除以近藤雲理論長度值所得的比值數據，繪製成圖。他們發現所有數據點都符合理論的推算，落在同一條曲線上。 Borzenets博士說：「我們通過實驗證實了按原先理論所推算的近藤雲長度數值：長度是以微米計。」
「我們首次通過直接量度近藤雲的長度，而證明它的存在，我們並找出了近藤雲長度與近藤溫度之間的比例因子（proportionality factor）。」他總結道。
對多重摻雜系統的啟示
研究團隊花了將近三年時間完成這項研究，計畫下一步研究控制近藤效應狀態的不同方法。Borzenets博士說：「我們可利用這新器件進行許多其他的操控，例如可以同時使用兩個雜質，看看當近藤雲重疊時會有什麼反應。我們希望這些發現能為理解多重摻雜系統，例如近藤晶格、自旋玻璃和高溫超導體帶來啟示。」
Borzenets博士、來自韓國科學技術院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）的Sim Heung-Sun教授和日本理化學研究所創發物性科學研究中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science, CEMS）的山本倫久博士是論文的共同通訊作者。Borzenets博士同時是第一作者，另一位共同第一作者是來自KAIST的Shim Jeongmin博士。 其他共同作者包括東京大學的Jason Chen C. H.，波鴻魯爾大學（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。
這項研究獲得香港城大、香港研究資助局、日本科學研究費助成事業（科研費） 、日本科學技術振興機構以及韓國國家研究基金會等資助。
DOI number: 10.1038/s41586-020-2058-6