數(shù)十年來，物理學(xué)家一直試圖觀察稱為 “近藤云”（Kondo cloud）的量子現(xiàn)象。一支包括香港城市大學(xué)（香港城大）科學(xué)家在內(nèi)的國際研究團(tuán)隊最近開發(fā)了一種新器件，成功測量近藤云的長度，甚至可以控制近藤云。其研究成果可以被視為凝聚態(tài)物理學(xué)范疇的一個里程碑，并且有望為進(jìn)一步了解多重?fù)诫s系統(tǒng)如高溫超導(dǎo)體，帶來新啟示。

香港城大物理學(xué)系助理教授Ivan Valerievich Borzenets博士與德國、日本和韓國的科學(xué)家連手，取得上述突破。相關(guān)研究結(jié)果在最新一期的權(quán)威科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表，題為〈Observation of the Kondo screening cloud〉 。

什么是近藤云？

近藤效應(yīng)（Kondo effect）是1930年代由科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)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(zhì)，結(jié)果則會相反。電阻先會下降，然后當(dāng)溫度低于某個臨界值，電阻反而會隨著溫度的進(jìn)一步降低而增加。

日本理論物理學(xué)家近藤淳（Jun Kondo）于五十多年前解開了這個謎團(tuán)，因此該效應(yīng)以他的名字命名。他解釋，置于金屬內(nèi)的磁性原子（雜質(zhì)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，還會與附近一定范圍內(nèi)的所有電子耦合，從而在雜質(zhì)的周圍形成一團(tuán)電子云。這團(tuán)電子云就是近藤云。因此，當(dāng)在近藤云上施加電壓時，電子要么無法自由移動，要么被近藤云所屏蔽，從而導(dǎo)致電阻增加。

近藤云到底有多大？

近藤效應(yīng)的部分基本特性已由實驗闡明，并發(fā)現(xiàn)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(guān)。但是，科學(xué)家仍未真正量度到近藤云的長度。理論上，近藤云可以由半導(dǎo)體中的雜質(zhì)延展到幾微米的范圍。

“探測近藤云的困難，在于需要以高達(dá)萬兆赫的高速，去量度近藤效應(yīng)中的自旋關(guān)聯(lián)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(fù)責(zé)實驗測量部分的Borzenets博士解釋。素來喜歡進(jìn)行復(fù)雜實驗的他，毅然決定接受這項挑戰(zhàn)。

以特制器件分離單一近藤云

有賴納米技術(shù)的進(jìn)步，研究團(tuán)隊制作出一個器件，可以將單個電子自旋（磁性雜質(zhì)）局限在直徑僅幾百納米、猶如導(dǎo)電微區(qū)（conducting island）一樣的 “量子點”（quantum dot）里。Borzenets博士說：“由于量子點非常細(xì)小，因此你可以確實地知道雜質(zhì)在哪里。”

而接連著量子點的，是一條一維長通道。由于在量子點里的單個電子只能與通道內(nèi)的電子產(chǎn)生耦合，因而形成近藤云。他解釋說： “這樣我們便成功在雜質(zhì)附近分離出單一近藤云，也可以控制云的大小。”

這套系統(tǒng)的新穎之處是，研究人員可以在通道內(nèi)，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）。然后研究人員觀察衍生的電子流動變化，以及隨著電壓強(qiáng)度和施加位置的變化而產(chǎn)生的近藤效應(yīng)。

秘密藏于起伏幅度

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變電壓，無論屏障處于哪個位置，電導(dǎo)率都會上升或下降。而當(dāng)電導(dǎo)出現(xiàn)起伏時，量度得的近藤溫度也出現(xiàn)起伏。

研究人員繼而把紀(jì)錄所得的近藤溫度起伏幅度，相對于屏障與雜質(zhì)距離除以近藤云理論長度值所得的比值數(shù)據(jù)，繪制成圖。他們發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)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云長度數(shù)值：長度是以微米計。＂

“我們首次通過直接量度近藤云的長度，而證明它的存在，我們并找出了近藤云長度與近藤溫度之間的比例因子（proportionality factor）。＂他總結(jié)道。

對多重?fù)诫s系統(tǒng)的啟示

研究團(tuán)隊花了將近三年時間完成這項研究，計劃下一步研究控制近藤效應(yīng)狀態(tài)的不同方法。Borzenets博士說：“我們可利用這新器件進(jìn)行許多其他的操控，例如可以同時使用兩個雜質(zhì)，看看當(dāng)近藤云重疊時會有什么反應(yīng)。我們希望這些發(fā)現(xiàn)能為理解多重?fù)诫s系統(tǒng)，例如近藤晶格、自旋玻璃和高溫超導(dǎo)體帶來啟示。」

Borzenets博士、來自韓國科學(xué)技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）的Sim Heung-Sun教授和日本理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)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(xué)的Jason Chen C. H.，波鴻魯爾大學(xué)（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。

這項研究獲得香港城大、香港研究資助局、日本科學(xué)研究費助成事業(yè)（科研費） 、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)以及韓國國家研究基金會等資助。

DOI number: 10.1038/s41586-020-2058-6

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