德国科学家解决了凝聚态物理学的一个长期问题

科隆大学的一个研究小组成功地在人造原子中观察到了难以捉摸的近藤效应，采用了一种带有扫描隧道显微镜的新方法。凝聚态物理学的这一重大进展，验证了理论预测，为探索物质的奇异状态开辟了新的途径。

科隆大学的一个研究小组成功地在人造原子中观察到了难以捉摸的近藤效应，采用了一种带有扫描隧道显微镜的新方法。凝聚态物理学的这一重大进展，验证了理论预测，为探索物质的奇异状态开辟了新的途径。

科隆大学的一组物理学家解决了凝聚态物理学的一个长期问题：他们直接观察到了在单个人造原子中可见的近藤效应（由磁性杂质引起的金属中电子的重新组合）。这在过去没有成功完成，因为大多数测量技术通常无法直接观察到原子的磁轨道。

然而，由科隆大学实验物理研究所的Wouter Jolie博士领导的国际研究小组使用一种新技术来观察漂浮在石墨烯金属片上方的一维导线内的人工轨道中的近藤效应。他们在最近发表在《自然物理学》上的一篇论文中报告了他们的发现。

了解近藤效应

当穿过金属的电子遇到磁性原子时，它们会受到原子自旋的影响——基本粒子的磁极，在试图屏蔽原子自旋的影响时，电子海聚集在原子附近，形成一种新的多体状态，称为近藤共振。

这种集体行为被称为近藤效应，通常用于描述金属与磁性原子相互作用。然而，其他类型的相互作用可能导致非常相似的实验特征，质疑近藤效应对表面上单个磁性原子的作用。

创新实验技术
物理学家使用一种新的实验方法来证明他们的一维导线也受到近藤效应的影响：被困在导线中的电子形成驻波，可以将其视为扩展的原子轨道。这种人工轨道，它与电子海的耦合，以及轨道和海洋之间的共振跃迁，都可以用扫描隧道显微镜成像。这种实验技术使用锋利的金属针来测量具有原子分辨率的电子。这使得该团队能够以无与伦比的精度测量近藤效应。

“表面上有磁性原子，这就像一个从未见过大象的人的故事，他试图通过在黑暗的房间里触摸它来想象它的形状。如果你只感觉到躯干，你就会想象一个完全不同的动物，而不是你触摸侧面，“进行实验的博士生Camiel van Efferen说。

“很长一段时间，只测量了近藤共振。但对于这些测量中观察到的信号，可能还有其他解释，就像大象的鼻子也可能是一条蛇一样。

实验物理研究所的研究小组专门研究二维材料（仅由几层原子组成的结晶固体）的生长和探索，例如石墨烯和单层二硫化钼（MoS2）。他们发现，在两个MoS2晶体的界面处，其中一个是另一个晶体的镜像，形成了金属原子线。

通过他们的扫描隧道显微镜，他们可以在-272.75摄氏度（0.4开尔文）的惊人低温下同时测量磁态和近藤共振，此时近藤效应就出现了。

将理论与实验数据关联起来
“虽然我们的测量毫无疑问地观察到了近藤效应，但我们还不知道我们的非常规方法与理论预测相比有多好，”朱莉补充道。为此，该团队得到了两位理论物理学家的帮助，分别是科隆大学的Achim Rosch教授和Forschungszentrum Jülich的Theo Costi博士，他们都是近藤物理学领域的世界知名专家。

在对于利希的超级计算机进行实验数据处理后，发现近藤共振可以从磁线中人造轨道的形状中精确预测，这验证了凝聚态物理学的创始人之一菲利普·安德森（Philip W. Anderson）数十年前的预测。
科学家们现在正计划使用他们的磁线来研究更多奇特的现象。

“将我们的一维导线放在超导体或量子自旋液体上，我们可以创建从电子以外的其他准粒子中产生的多体态，”Camiel van Efferen解释说。“现在可以清楚地看到这些相互作用产生的迷人物质状态，这将使我们能够在一个全新的层面上理解它们。