里程碑！解决数十年难题，城大首次实验观测到 “近藤云”量子现象

近藤效应（Kondo effect）是1930年代由科学家发现的一种物理现象。金属的电阻会随温度变化，一般而言，随着温度下降，电阻亦会下降。不过，如果金属掺有一些磁性杂质，结果则会相反。电阻先会下降，然后当温度低于某个临界值，电阻反而会随着温度的进一步降低而增加。数十年来，物理学家一直试图观察称为 “近藤云”（Kondo cloud）的量子现象。

近日，香港城市大学Ivan V. Borzenets，日本理化研究所Michihisa Yamamoto及韩国科学技术院Heung-Sun共同通讯在Nature 在线发表题为"Observation of the Kondo screening cloud"的研究论文，该研究开发了一种新器件，成功测量近藤云的长度，甚至可以控制近藤云。其研究成果可以被视为凝聚态物理学范畴的一个里程碑，并且有望为进一步了解多重掺杂系统如高温超导体，带来新启示。

近藤效应（Kondo effect）是1930年代由科学家发现的一种物理现象。金属的电阻会随温度变化，一般而言，随着温度下降，电阻亦会下降。不过，如果金属掺有一些磁性杂质，结果则会相反。电阻先会下降，然后当温度低于某个临界值，电阻反而会随着温度的进一步降低而增加。

日本理论物理学家近藤淳（Jun Kondo）于五十多年前解开了这个谜团，因此该效应以他的名字命名。他解释，置于金属内的磁性原子（杂质原子）具备一种物理特性，称为自旋（spin）。但是它不仅会与另一电子耦合（couple）成为一组具有 “向上”和 “向下”的自旋对，还会与附近一定范围内的所有电子耦合，从而在杂质的周围形成一团电子云。这团电子云就是近藤云。因此，当在近藤云上施加电压时，电子要么无法自由移动，要么被近藤云所屏蔽，从而导致电阻增加。

近藤效应的部分基本特性已由实验阐明，并发现与近藤温度（Kondo temperature，意即电阻在低温下开始升高的临界温度）相关。但是，科学家仍未真正量度到近藤云的长度。理论上，近藤云可以由半导体中的杂质延展到几微米的范围。

该研究首次提供近藤云延伸到微米长度的实验证据，与理论长度ξK相当。在该研究的设备中，近藤杂质形成在量子点中，并在一侧耦合到准一维通道，该通道容纳了法布里-佩罗特干涉仪，其门限长度L超过一微米。

当在干涉仪端门上扫描电压（与量子点之间的距离L分开）以诱发电导中的法布里-佩罗特振荡时，研究人员观察到所测量的近藤温度TK发生振荡，这是近距L处近藤云的特征。

L小于ξK时，TK振荡幅度随L变小而变大，服从单个参数L /ξK的比例函数，而当L大于ξK时，振荡则弱得多。该研究结果表明，ξK是与近藤效应相关的唯一长度参数，并且近藤云大部分位于ξK的长度内。该研究的实验方法提供了一种检测由多种磁性杂质或多种筛选通道形成的非费米液体的空间分布以及研究自旋相关系统的方法。其研究成果可以被视为凝聚态物理学范畴的一个里程碑，并且有望为进一步了解多重掺杂系统如高温超导体，带来新启示。

注：本分解析参考自香港城市大学官网介绍。

解析链接：

https://www.cityu.edu.hk/zh-cn/research/stories/2020/03/12/worlds-first-experimental-observation-kondo-cloud

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2058-6