首次观测到“近藤云”量子现象！高温超导体或将因此获得突破

几十年来，物理学家一直在努力观察“近藤云”量子现象，包括香港城市大学一科学家在内的一个国际研究团队，现在开发了一种新型设备，成功地测量了近藤云的长度，甚至可以控制它。这一发现可以被视为凝聚态物理学的一个里程碑，并可能为理解高温超导体等多重杂质系统提供更深洞察。

香港城市大学物理系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士与来自德国、日本和韩国的科学家合作，其研究成果发表在《自然》期刊上。近藤效应是20世纪30年代发现的一种物理现象，在金属中，随着温度的下降，电阻通常会下降。然而，如果金属中有一些磁性杂质，就会出现相反结果。阻力首先会下降，但当温度低于某一阈值温度时，随着温度的进一步降低，电阻增大。

50多年前，日本理论物理学家近藤俊(Jun Kondo)解决了这个难题，这种效应就是以他的名字命名：当一个磁性原子（上述杂质）被放入金属内部时，它会有一个自旋。但是，它不是仅仅与一个电子耦合形成一对自旋向上和向下的电子，而是与其周围某些区域内的所有电子共同耦合，形成围绕杂质的一团电子——这被称为近藤云。当在其上施加电压时，电子不能自由移动或被近藤云屏蔽，导致电阻增加。

近藤效应的一些基本性质已经被实验证明，并被发现与近藤温度（低温下电阻开始上升的阈值温度）有关。然而，对近藤云长度的测量还没有实现。从理论上讲，近藤云可以从半导体中的杂质扩散到几微米范围内。探测近藤云的困难在于，测量近藤效应中的自旋相关性，需要几十吉赫兹的快速探测。进行这项研究实验测量的博泽内茨博士解释说：而且不能冻结时间来观察和测量每一个单独的电子。

得益于纳米技术的进步，研究小组制造了一种装置，可以将不成对的电子自旋（磁性杂质）限制在量子点中，就像直径只有几百纳米的小导电岛一样，由于量子点非常小，可以确切地知道杂质在哪里。与量子点相连的是一维长通道，未成对的电子，被收缩成与这个通道中的电子耦合，在那里形成一个近藤云。

这样就可以在单一杂质周围隔离出一个近藤云，而且也可以控制云的大小。该系统的新奇之处在于，通过在距离量子点不同距离通道内的不同点上施加电压，它们沿着通道诱导出“弱势垒”。研究人员随后观察了电子流量和近藤效应随势垒强度和位置变化而产生的变化。通过改变电压，研究发现，不管他们把栅栏放在哪里，电导率都是起伏不定的。

当电导出现振荡时，测得的近藤温度也出现振荡。当研究人员绘制近藤温度的振荡幅度与离杂质势垒距离除以理论云层长度时发现，正如理论上预期的那样，所有数据点都落在一条曲线上。研究已经从实验上证实了近藤云微米尺度的原始理论结果，首次通过直接测量近藤云层长度证明了云层的存在，研究还找出了连接近藤云层大小和近藤温度的比例因子。

研究团队在这项研究中花了近三年的时间，下一步是研究控制近藤云的不同方法，可以对该设备进行许多其他 *** 作。例如，可以同时使用两种杂质，观察它们在云层重叠时的反应，研究人员希望这些发现能为理解多个杂质系统提供洞察，如近藤晶格、自旋玻璃和高转变温度超导体。

博科园｜研究/来自：香港城市大学

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6

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实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。大规模集成电路的工艺中控制（和利用）杂质和缺陷是极为重要的。现今人们感兴趣的有深能级杂质、发光中心机理、无辐射跃迁的微观过程等。H.贝特在1929年用群论方法分析晶体中杂质离子的电子能级的分裂，开辟了晶体场的新领域。数十年来在这领域积累了大量的研究成果，为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体激光器的出现准备了基础。金属中的杂质对其物理性质有广泛的影响。最为突出的是磁性杂质对金属低温下物性的影响，这个现象称为近藤效应，因为近藤淳在1946年首先提出说明这现象的理论。磁杂质对超导体的性质有显著影响，会降低其临界温度。在特殊物质（例如，LaAl2、CoAl2）中，近藤杂质可使这合金在一定温度进入超导电状态。此外，离子晶体中的缺陷对色心现象和电导过程占有决定性的地位。 Я.夫伦克耳对金属强度的理论值作了估计，远大于实际的强度，这促使人们去设想金属中存在某种容易滑移的线缺陷。1934年G.泰勒、E.奥罗万和M.波拉尼独立地提出刃位错理论说明金属强度。F.夫兰克在1944年根据实验观察结果提出螺位错促进晶体生长的理论，后来，人们利用电子显微术直接看到位错的运动。位错以及它同杂质和缺陷的互作用对晶体的力学、电学性质有重大影响。甚至，晶体熔化也可能同位错的大量产生有关。随着晶体生长技术发展，人们又发现了层错——一种面缺陷。 硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同，但其技术性能之所以强或硬，却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。 高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向（见晶体缺陷）。

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