I fisici hanno cercato di osservare il fenomeno quantistico della nuvola di Kondo per molti decenni. Un team di ricerca internazionale ha recentemente sviluppato un nuovo dispositivo che misura con successo la lunghezza del cloud Kondo e consente persino di controllarlo. I risultati possono essere considerati una pietra miliare nella fisica della materia condensata, e può fornire approfondimenti per comprendere più sistemi di impurità come i superconduttori ad alta temperatura.

Questa svolta è stata ottenuta da un team di ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Università della città di Hong Kong (CityU), Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), l'Università di Tokyo, e la Ruhr-Università di Bochum. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Natura .

Cos'è la nuvola Kondo?

L'effetto Kondo è un fenomeno fisico scoperto negli anni '30. Nei metalli, mentre la temperatura scende, la resistenza elettrica di solito diminuisce. Però, se ci sono delle impurità magnetiche nel metallo, mostrerà il risultato opposto. La resistenza all'inizio diminuirà. Ma quando è al di sotto di una certa temperatura di soglia, la resistenza aumenterà al diminuire ulteriormente della temperatura.

Questo puzzle è stato risolto più di 50 anni fa da Jun Kondo, un fisico teorico giapponese da cui l'effetto è stato chiamato. Ha spiegato che quando un atomo magnetico (un'impurità) è posto all'interno di un metallo, ha un giro. Ma invece di accoppiarsi semplicemente con un elettrone per formare una coppia di spin up e spin down, si accoppia collettivamente con tutti gli elettroni all'interno di alcune aree intorno ad esso, formando una nuvola di elettroni che circonda l'impurità, questa è chiamata nuvola di Kondo. Quando viene applicata una tensione su di esso, gli elettroni non sono liberi di muoversi o sono schermati dalla nuvola di Kondo, con conseguente aumento della resistenza.

Quanto è grande la nuvola?

Alcune proprietà di base dell'effetto Kondo sono state dimostrate sperimentalmente e sono risultate essere correlate alla temperatura Kondo (la temperatura di soglia alla quale la resistenza inizia a salire a bassa temperatura). Però, la misurazione della lunghezza della nuvola Kondo doveva ancora essere raggiunta. Teoricamente, la nuvola di Kondo può estendersi per diversi micrometri dall'impurità nei semiconduttori. Professor Heung-Sun Sim presso il Dipartimento di Fisica, KAIST, il teorico che ha proposto il metodo per rilevare la nuvola di Kondo, ha commentato che "la nube di spin osservata è un oggetto di dimensioni micrometriche che ha natura d'onda meccanica quantistica e entanglement. Questo è il motivo per cui la nuvola di spin non è stata osservata nonostante una lunga ricerca".

"La difficoltà nel rilevare la nuvola di Kondo risiede nel fatto che misurare la correlazione di spin nell'effetto Kondo richiede la rilevazione rapida di decine di gigahertz. E non puoi fermare il tempo per osservare e misurare ciascuno dei singoli elettroni, " ha spiegato il dott. Ivan Valerievich Borzenets, Assistant Professor presso il Dipartimento di Fisica di CityU, che ha eseguito la misurazione sperimentale di questa ricerca.

Isolare un singolo cloud Kondo nel dispositivo

Grazie al progresso delle nanotecnologie, il team di ricerca ha fabbricato un dispositivo in grado di confinare uno spin elettronico spaiato (impurità magnetica) in un punto quantico, come una piccola isola conduttrice del diametro di poche centinaia di nanometri. "Poiché il punto quantico è molto piccolo, puoi sapere esattamente dove si trova l'impurità, " ha detto il dottor Borzenets.

La connessione al punto quantico è un canale unidimensionale e lungo. L'elettrone spaiato è costretto ad accoppiarsi agli elettroni in questo canale e formare lì una nuvola di Kondo." In questo modo, isoliamo una singola nuvola di Kondo attorno a una singola impurità, e possiamo anche controllare le dimensioni del cloud, " Lui ha spiegato.

La novità del sistema è che applicando una tensione in diversi punti all'interno del canale a varie distanze dal punto quantico, hanno indotto "barriere deboli" lungo il canale. I ricercatori hanno quindi osservato il cambiamento risultante nel flusso di elettroni e l'effetto Kondo con forza e posizione della barriera variabili.

Il segreto sta nell'ampiezza dell'oscillazione

Modificando le tensioni, si è riscontrato che la conduttanza andava su e giù, non importa dove mettono le barriere. E quando c'erano oscillazioni nella conduttanza, sono state osservate oscillazioni nella temperatura misurata di Kondo.

Quando i ricercatori hanno tracciato l'ampiezza dell'oscillazione della temperatura di Kondo rispetto alla distanza della barriera dall'impurità divisa per la lunghezza teorica della nuvola, hanno scoperto che tutti i loro punti dati cadono su una singola curva, come teoricamente previsto. "Abbiamo confermato sperimentalmente il risultato teorico originale della lunghezza della nuvola di Kondo che è in scala micrometrica, " disse il dottor Borzenets. "Per la prima volta, abbiamo dimostrato l'esistenza della nuvola misurando direttamente la lunghezza della nuvola di Kondo. E abbiamo scoperto il fattore di proporzionalità che collega la dimensione della nuvola di Kondo e la temperatura di Kondo".

Fornire approfondimenti su più sistemi di impurità

Il team ha trascorso quasi tre anni in questa ricerca. Il loro prossimo passo è indagare su diversi modi per controllare lo stato di Kondo. "È possibile eseguire molte altre manipolazioni sul dispositivo. Ad esempio, possiamo usare due impurità contemporaneamente, e guarda come reagiranno quando le nuvole si sovrapporranno. Ci auguriamo che i risultati possano fornire approfondimenti sulla comprensione di molteplici sistemi di impurità come i reticoli di Kondo, vetri di spin e superconduttori ad alta temperatura di transizione".

Secondo il dottor Michihisa Yamamoto, Team Leader presso RIKEN CEMS, che ha guidato la collaborazione internazionale, "è molto soddisfacente essere riusciti a ottenere un'immagine spaziale reale della nuvola di Kondo, in quanto è una vera svolta per la comprensione di vari sistemi contenenti più impurità magnetiche. Questo risultato è stato reso possibile solo da una stretta collaborazione con i teorici".

"La dimensione della nuvola di Kondo nei semiconduttori è risultata essere molto più grande della dimensione tipica dei dispositivi a semiconduttore. Ciò significa che la nuvola può mediare le interazioni tra spin distanti confinati in punti quantici, che è un protocollo necessario per l'elaborazione dell'informazione quantistica basata sullo spin dei semiconduttori. Questa interazione spin-spin mediata dalla nuvola di Kondo è unica poiché sia ​​la sua forza che il suo segno (due spin favoriscono la configurazione parallela o antiparallela) sono sintonizzabili elettricamente, mentre gli schemi convenzionali non possono invertire il segno. Questo apre un nuovo modo per progettare lo spin screening e l'entanglement, " ha spiegato il dottor Yamamoto.

"È notevole da un punto di vista fondamentale e tecnico che un oggetto quantistico così grande possa ora essere creato, controllato, e rilevato, " ha concluso il professor Heung-Sun Sim.