7 Колективна взаємодія квантових спінів у матеріалах може радикально змінювати їхні властивості, відкриваючи несподівані режими магнітної поведінки.
У фізиці конденсованого стану ключову роль відіграють «квантові спіни», тобто внутрішні кутові моменти частинок. Поодинокі спіни поводяться відносно просто. Однак за взаємодії багатьох спінів виникають нові колективні ефекти. Саме ці ефекти визначають властивості квантових матеріалів.
Одним із таких явищ є «ефект Кондо», що описує взаємодію локалізованих спінів із рухомими електронами. Він істотно впливає на електричні й магнітні характеристики матеріалів. Експериментальне вивчення цього ефекту ускладнене додатковими чинниками. До них належать рух електронів і їхні орбітальні стани.
Для спрощення проблеми була запропонована «модель намиста Кондо», яка зосереджується лише на спінових взаємодіях. Її запропонував Себастьян Доніах у 1977 році. Попри значний теоретичний вплив, повна експериментальна реалізація моделі тривалий час залишалася недосяжною.
Ключовим параметром виявився розмір локалізованого спіну. За спіну 1/2 спіни повністю компенсуються, утворюючи синглети. За спіну, більшого за 1/2, компенсація стає неповною. Це залишає можливість для виникнення магнітного порядку.
Команда під керівництвом Хіронорі Ямагучі вперше реалізувала намисто Кондо зі спіном 1. Для цього використали органічно-неорганічний гібридний матеріал. Він дозволив точно контролювати кристалічну структуру. Вимірювання зафіксували фазовий перехід до магнітно впорядкованого стану.
Квантовий аналіз показав, що взаємодія Кондо створює ефективний зв’язок між спінами. Це стабілізує магнітний порядок на великих відстанях. Таким чином, ефект Кондо може не пригнічувати, а підтримувати магнетизм.
«Коли локалізований спін перевищує 1/2, ефект Кондо сприяє магнітному порядку», — зазначає Ямагучі. Це спростовує усталене уявлення про універсальне пригнічення магнетизму. Вперше експериментально доведено залежність ролі ефекту Кондо від розміру спіну.
Отримані результати відкривають нові можливості для проєктування квантових матеріалів. «Контроль розміру спіну дозволяє перемикати між магнітними станами», — підкреслює Ямагучі. Це має значення для розвитку квантових технологій.
