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。

device, kondo cloud
團隊研發的器件由連接一個量子點的一維通道組成,其中三個柵極與量子點的距離分別為1.4μm,3.6μm和6.1μm,用以形成屏障。(圖片來源: DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6)

 

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。

kondo cloud
觀測近藤雲的原理示意圖(圖片設計︰Shim Jeongmin)

 

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。

conductance
此圖顯示電導率(G)隨著裝置溫度的升高而降低,表示出現了近藤效應。(圖片來源: DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6) 

 

graph, kondo cloud
研究人員比較實驗收集的數據(圖中的綠色、藍色和紫色點)與理論推算的結果(紅色交叉),發現所有數值均大致落在同一條曲線上。(圖片來源: DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6)

 

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。

Dr Ivan Borzenets
Borzenets博士表示,近藤雲的測量需要在低温下進行,因而他身旁的稀釋致冷機是進行相關實驗的必需儀器之一。他將會利用香港城大這部稀釋致冷機進行超導石墨烯、量子計算等相關研究。(圖片來源:香港城市大學)

 

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

訂閱電子通訊

 

聯絡資料

Back to top