Os físicos vêm tentando observar o fenômeno quântico da nuvem de Kondo há muitas décadas. Uma equipe de pesquisa internacional desenvolveu recentemente um novo dispositivo que mede com sucesso o comprimento da nuvem de Kondo e até permite controlá-la. As descobertas podem ser consideradas um marco na física da matéria condensada, e pode fornecer informações para a compreensão de vários sistemas de impurezas, como supercondutores de alta temperatura.

Esta descoberta foi alcançada por uma equipe de pesquisadores do RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Universidade da cidade de Hong Kong (CityU), Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), a Universidade de Tóquio, e Ruhr-University Bochum. Os resultados de suas pesquisas foram publicados em Natureza .

O que é a nuvem Kondo?

O efeito Kondo é um fenômeno físico descoberto na década de 1930. Em metais, conforme a temperatura cai, a resistência elétrica geralmente cai. Contudo, se houver algumas impurezas magnéticas no metal, ele mostrará o resultado oposto. A resistência vai cair no início. Mas quando está abaixo de algum limite de temperatura, a resistência aumentará à medida que a temperatura diminuir ainda mais.

Este quebra-cabeça foi resolvido há mais de 50 anos por Jun Kondo, um físico teórico japonês que deu nome ao efeito. Ele explicou que quando um átomo magnético (uma impureza) é colocado dentro de um metal, tem um giro. Mas em vez de apenas se acoplar a um elétron para formar um par de spin-up e spin-down, ele se acopla coletivamente a todos os elétrons dentro de algumas áreas ao seu redor, formando uma nuvem de elétrons em torno da impureza - isso é chamado de nuvem Kondo. Quando uma tensão é aplicada sobre ele, os elétrons não estão livres para se mover ou são filtrados pela nuvem Kondo, resultando em aumento de resistência.

Qual é o tamanho da nuvem?

Algumas propriedades básicas do efeito Kondo foram comprovadas experimentalmente e estão relacionadas com a temperatura Kondo (a temperatura limite em que a resistência começa a subir a baixa temperatura). Contudo, a medição do comprimento da nuvem Kondo ainda não havia sido alcançada. Teoricamente, a nuvem Kondo pode se espalhar por vários micrômetros a partir da impureza em semicondutores. Professor Heung-Sun Sim do Departamento de Física, KAIST, o teórico que propôs o método de detecção da nuvem Kondo, comentou que "a nuvem de spin observada é um objeto do tamanho de um micrômetro que tem natureza de onda mecânica quântica e emaranhamento. É por isso que a nuvem de spin não foi observada, apesar de uma longa pesquisa."

"A dificuldade em detectar a nuvem Kondo reside no fato de que medir a correlação de spin no efeito Kondo requer a detecção rápida de dezenas de gigahertz. E você não pode congelar o tempo para observar e medir cada um dos elétrons individuais, "explicou o Dr. Ivan Valerievich Borzenets, Professor Assistente do Departamento de Física da CityU, quem realizou a medição experimental desta pesquisa.

Isolar uma única nuvem Kondo no dispositivo

Graças ao avanço da nanotecnologia, a equipe de pesquisa fabricou um dispositivo que pode confinar um spin de elétron desemparelhado (impureza magnética) em um ponto quântico, como uma pequena ilha condutora com um diâmetro de apenas algumas centenas de nanômetros. "Como o ponto quântico é muito pequeno, você pode saber exatamente onde está a impureza, "disse o Dr. Borzenets.

Conectar-se ao ponto quântico é um canal longo e unidimensional. O elétron desemparelhado é restrito para se acoplar aos elétrons neste canal e formar uma nuvem Kondo ali. "Desta forma, isolamos uma única nuvem Kondo em torno de uma única impureza, e podemos controlar o tamanho da nuvem também, " ele explicou.

A novidade do sistema é que, ao aplicar uma voltagem em diferentes pontos dentro do canal com várias distâncias do ponto quântico, eles induziram "barreiras fracas" ao longo do canal. Os pesquisadores então observaram a mudança resultante no fluxo de elétrons e o efeito Kondo com força de barreira e posição variáveis.

O segredo está na amplitude de oscilação

Ao alterar as tensões, verificou-se que a condutância subia e descia, não importa onde eles colocam as barreiras. E quando havia oscilações na condutância, foram observadas oscilações na temperatura medida de Kondo.

Quando os pesquisadores representaram graficamente a amplitude de oscilação da temperatura de Kondo versus a distância da barreira da impureza dividida pelo comprimento teórico da nuvem, eles descobriram que todos os seus pontos de dados caem em uma única curva, como teoricamente esperado. "Confirmamos experimentalmente o resultado teórico original do comprimento da nuvem Kondo, que está em escala micrométrica, "disse o Dr. Borzenets." Pela primeira vez, provamos a existência da nuvem medindo diretamente o comprimento da nuvem Kondo. E descobrimos o fator de proporcionalidade conectando o tamanho da nuvem de Kondo e a temperatura de Kondo. "

Fornece informações sobre vários sistemas de impureza

A equipe passou quase três anos nesta pesquisa. O próximo passo é investigar diferentes maneiras de controlar o estado de Kondo. "Muitas outras manipulações no dispositivo podem ser feitas. Por exemplo, podemos usar duas impurezas ao mesmo tempo, e veja como eles vão reagir quando as nuvens se sobrepõem. Esperamos que as descobertas possam fornecer informações sobre a compreensão de vários sistemas de impurezas, como redes Kondo, vidros de rotação e supercondutores de alta temperatura de transição. "

De acordo com a Dra. Michihisa Yamamoto, Líder de equipe na RIKEN CEMS, que liderou a colaboração internacional, "é muito gratificante ter sido capaz de obter a imagem espacial real da nuvem de Kondo, pois é um verdadeiro avanço para a compreensão de vários sistemas que contêm múltiplas impurezas magnéticas. Essa conquista só foi possível graças à estreita colaboração com teóricos. "

"Descobriu-se que o tamanho da nuvem Kondo nos semicondutores é muito maior do que o tamanho típico dos dispositivos semicondutores. Isso significa que a nuvem pode mediar as interações entre spins distantes confinados em pontos quânticos, que é um protocolo necessário para o processamento de informações quânticas semicondutoras baseadas em spin. Esta interação spin-spin mediada pela nuvem Kondo é única, uma vez que sua força e sinal (dois spins favorecem a configuração paralela ou anti-paralela) são eletricamente ajustáveis, enquanto os esquemas convencionais não podem inverter o sinal. Isso abre uma nova maneira de projetar a triagem giratória e o emaranhamento, "Dr. Yamamoto explicou.

"É notável do ponto de vista técnico e fundamental que um objeto quântico tão grande possa agora ser criado, controlada, e detectado, "Professor Heung-Sun Sim concluiu.