В физике конденсированного состояния наиболее удивительные явления возникают, когда большое количество квантовых частиц взаимодействует как единое целое.
Одиночный квантовый спин демонстрирует относительно простое поведение, но когда спины начинают взаимодействовать друг с другом по всему материалу, возникают совершенно новые эффекты. Одним из самых значительных таких явлений является эффект Кондо, который описывает взаимодействие локализованных квантовых спинов с подвижными электронами. Этот эффект играет важную роль в поведении многих квантовых систем.
Тем не менее, исследовать эффект Кондо в реальных материалах весьма сложно. Электроны не только обладают спином, но и перемещаются по материалу, занимая различные орбитали. Когда все эти процессы идут одновременно, сложно отделить спиновые взаимодействия от остальных. Поэтому физики долгое время использовали упрощенные теоретические модели. Одной из самых известных является так называемое «ожерелье Кондо» — модель, предложенная Себастьяном Дониаком в 1977 году. В этой модели ученые исключили движение электронов и орбитальные эффекты, фокусируясь исключительно на взаимодействующих спинах. Эта модель на протяжении многих лет считается эффективным инструментом для изучения новых квантовых состояний, однако осуществить её экспериментально до сих пор не удавалось.
Команда ученых под руководством доцента Хиронори Ямагути из Осакского столичного университета решила эту проблему. Физики разработали новый тип «ожерелья Кондо» на основе тщательно сконструированного органо-неорганического гибридного материала, содержащего органические радикалы и ионы никеля.
Ранее ученым удавалось создать систему со спином ½. В новой работе они увеличили локализованный спин до 1. Термодинамические измерения показали четкий фазовый переход: система изменила состояние на магнитно-упорядоченное.
Это открытие стало опровержением традиционных представлений. На протяжении многих лет считалось, что эффект Кондо в основном подавляет магнетизм, объединяя спины в синглеты — максимально запутанные состояния с нулевым полным спином. Результаты нового исследования показывают, что когда локализованный спин превышает ½, то именно взаимодействие Кондо не ослабляет, а наоборот, активно способствует магнитному упорядочению.
Сравнив системы со спином ½ и спином 1, ученые выявили четкую квантовую границу. Эффект Кондо всегда формирует локальные синглеты для спина ½, но стабилизирует магнитный порядок для спина 1 и выше. Это первое прямое экспериментальное подтверждение того, что роль эффекта Кондо зависит от размера спина.
