تمكن فريق من علماء الفيزياء من جامعة كولونيا من حل لغز طويل الأمد في فيزياء المادة المكثفة: لقد لاحظوا بشكل مباشر تأثير كوندو المرئي (إعادة تجميع الإلكترونات في المعادن بسبب الشوائب المغناطيسية) في ذرة اصطناعية. لم ينجح هذا في الماضي لأن معظم تقنيات القياس لا تراقب بشكل مباشر المدارات المغناطيسية للذرات.
ومع ذلك، استخدم فريق بحث دولي بقيادة الدكتور فوتر جولي من معهد الفيزياء التجريبية بجامعة كولونيا تقنية جديدة لرصد تأثير كوندو على مسار اصطناعي داخل سلك أحادي البعد يطفو فوق صفيحة معدنية من الجرافين. وقد أبلغوا عن النتائج التي توصلوا إليها في ورقة بحثية نشرت مؤخرا في مجلة Nature Physics.
عندما تلتقي الإلكترونات المتحركة في المعدن مع ذرات مغناطيسية، فإنها ستتأثر بالدوران الذري، فالدوران الذري هو القطب المغناطيسي للجسيم الأولي. ومن أجل حماية تأثير الدوران الذري، يتجمع بحر من الإلكترونات معًا بالقرب من الذرات، لتشكل حالة جديدة من الأجسام المتعددة، والتي تسمى رنين كوندو. غالبا ما يستخدم لوصف تفاعل المعادن مع الذرات المغناطيسية. ومع ذلك، هناك أنواع أخرى من التفاعلات تؤدي إلى سمات تجريبية مشابهة جدًا، مما يثير تساؤلات حول دور تأثير كوندو على الذرات المغناطيسية الفردية على السطح.
استخدم الفيزيائيون طريقة تجريبية جديدة لإظهار أن سلكهم أحادي البعد يتأثر أيضًا بتأثير كوندو: تشكل الإلكترونات الموجودة في السلك موجات ثابتة، والتي يمكن اعتبارها مدارات ذرية ممتدة. يمكن تصوير هذا المدار الاصطناعي، واقترانه ببحر الإلكترونات، والتبديل الرنيني بين المدار وبحر الإلكترونات، باستخدام المجهر النفقي الماسح. تستخدم هذه التقنية التجريبية إبرة معدنية حادة لقياس الإلكترونات بدقة ذرية. وقد سمح ذلك لفريق البحث بقياس تأثير كوندو بدقة لا مثيل لها.
وقال كاميل فان إيفرين، طالب الدكتوراه الذي أجرى التجربة: "بالنسبة للذرات المغناطيسية الموجودة على السطح، فإن الأمر يشبه القصة: يحاول شخص لم يسبق له رؤية فيل أن يتخيل شكله عن طريق لمسه مرة واحدة في غرفة مظلمة. إذا لمست خرطومه فقط، فإن الحيوان الذي تتخيله يختلف تمامًا عن الجانب إذا لمسته". "لفترة طويلة، تم قياس رنين كوندو فقط. لكن الإشارات المرصودة في هذه القياسات يمكن أن يكون لها تفسيرات أخرى، تمامًا كما يمكن أن يكون خرطوم الفيل هو خرطوم الثعبان أيضًا."
تتخصص المجموعة البحثية في معهد الفيزياء التجريبية في تطوير واستكشاف المواد ثنائية الأبعاد (المواد الصلبة البلورية التي تتكون من طبقات قليلة فقط من الذرات)، مثل الجرافين وثاني كبريتيد الموليبدينوم أحادي الطبقة (MoS2). ووجدوا أنه عند السطح البيني لبلورتين من MoS2، إحداهما صورة مرآة للأخرى، تتشكل خيوط من ذرات المعدن.
وباستخدام مجهر المسح النفقي، تمكنوا من قياس الحالة المغناطيسية ورنين كوندو في وقت واحد عند درجة حرارة منخفضة بشكل مذهل تبلغ -272.75 درجة مئوية (0.4 كلفن)، وهي درجة الحرارة التي يحدث فيها تأثير كوندو.
العلاقة بين النظرية والبيانات التجريبية
تضيف جولي: "على الرغم من أن قياساتنا لا تترك مجالًا للشك في أننا نلاحظ تأثير كوندو، إلا أننا لا نعرف حتى الآن كيف يمكن مقارنة نهجنا غير التقليدي مع التنبؤات النظرية". ولتحقيق هذه الغاية، استعان الفريق باثنين من علماء الفيزياء النظرية، البروفيسور أكيم روش من جامعة كولونيا والدكتور ثيو كوستي من مركز أبحاث يوليش، وكلاهما خبيران مشهوران عالميًا في فيزياء كوندو.
كشف تحليل البيانات التجريبية في حاسوب يوليش العملاق أن رنين كوندو يمكن التنبؤ به بدقة بناءً على شكل المدارات الاصطناعية في خطوط المجال المغناطيسي، وبالتالي التحقق من التنبؤ الذي قدمه فيليب دبليو أندرسون منذ عقود مضت، أحد مؤسسي فيزياء المادة المكثفة.
ويخطط العلماء الآن لاستخدام خطوط المجال المغناطيسي لدراسة المزيد من الظواهر الغريبة. "من خلال وضع أسلاكنا أحادية البعد على موصل فائق أو سائل كمي مغزلي، يمكننا إنشاء حالات أجسام متعددة تنتجها أشباه الجسيمات غير الإلكترونات. من الممكن الآن أن نرى بوضوح الحالات الرائعة للمادة الناتجة عن هذه التفاعلات، مما سيسمح لنا بفهمها على مستوى جديد تمامًا،" يشرح كاميل فان إيفرين.