ケルン大学の物理学者チームが、物性物理学における長年の謎を解決した。彼らは、人工原子における目に見える近藤効果（磁性不純物によって引き起こされる金属中の電子の再クラスタリング）を直接観察した。ほとんどの測定技術では原子の磁気軌道を直接観察しないことが多いため、これまでは成功していませんでした。
しかし、ケルン大学実験物理学研究所のワウター・ジョリー博士が率いる国際研究チームは、新しい技術を使用して、グラフェン金属シートの上に浮かぶ一次元ワイヤー内の人工トラックで近藤効果を観察しました。彼らは、最近 Nature Physics に掲載された論文でその発見を報告しました。
金属中を移動する電子が磁性原子に遭遇すると、原子スピンの影響を受けます。原子スピンは素粒子の磁極です。原子のスピンの影響を遮蔽するために、電子の海が原子の近くに集まり、新たな多体状態を形成します。これを近藤共鳴と呼びます。金属と磁性原子の相互作用を説明するためによく使用されます。しかし、他の種類の相互作用も非常によく似た実験的特徴をもたらし、表面の個々の磁性原子に対する近藤効果の役割について疑問が生じます。
物理学者らは、新しい実験方法を使用して、一次元ワイヤーも近藤効果の影響を受けることを示しました。ワイヤー内の電子は定在波を形成し、これは拡張された原子軌道と考えることができます。この人工軌道、電子海との結合、軌道と電子海の間の共鳴切り替えはすべて走査型トンネル顕微鏡で画像化できます。この実験手法では、鋭い金属針を使用して電子を原子分解能で測定します。これにより、研究チームは比類のない精度で近藤効果を測定することができました。
実験を行った博士課程の学生、カミエル・ファン・エフェレン氏は「表面の磁性原子の場合、それは物語のようなものだ。ゾウを見たことのない人が、暗い部屋でゾウに一度触れて、その形を想像しようとする。胴体だけを触った場合と、横から触った場合には、想像する動物の姿は全く異なるものだ」と述べた。 「長い間、近藤共鳴のみが測定されてきました。しかし、ゾウの鼻がヘビの鼻である可能性があるのと同じように、これらの測定で観察された信号には別の説明がある可能性があります。」
実験物理学研究所の研究グループは、グラフェンや単層二硫化モリブデン (MoS2) などの二次元材料 (数層の原子のみで構成される結晶固体) の成長と探査を専門としています。彼らは、一方が他方の鏡像である 2 つの MoS2 結晶の界面で、金属原子のフィラメントが形成されることを発見しました。
走査型トンネル顕微鏡を用いて、近藤効果が生じる摂氏-272.75度（0.4ケルビン）という驚くべき低温で磁気状態と近藤共鳴を同時に測定することに成功した。
理論と実験データの相関関係
「私たちの測定では、近藤効果を観察していることに疑いの余地はありませんが、私たちの型破りなアプローチが理論的予測とどのように比較されるかはまだわかりません」とジョリー氏は付け加えます。この目的を達成するために、チームは近藤物理学の世界的に有名な専門家であるケルン大学のアヒム・ロッシュ教授とユーリッヒ研究センターのテオ・コスティ博士という2人の理論物理学者の協力を得ました。
ユーリッヒのスーパーコンピューターでの実験データの分析により、近藤共鳴は磁力線の人工軌道の形状に基づいて正確に予測できることが明らかになり、物性物理学の創始者の一人であるフィリップ・W・アンダーソンが数十年前に行った予測が検証された。
科学者たちは現在、磁力線を使用してさらに珍しい現象を研究することを計画しています。 「一次元ワイヤーを超伝導体や量子スピン液体上に配置することで、電子以外の準粒子によって生成される多体状態を作り出すことができます。これらの相互作用から生じる物質の興味深い状態を明確に見ることができるようになり、それによってまったく新しいレベルで物質を理解できるようになります。」とカミル・ファン・エフレン氏は説明します。