在凝聚態物理學中，一些最不尋常的行為只有當許多量子粒子成群相互作用時才會出現。單個量子自旋的行為方式相對簡單。但當材料中的旋轉相互影響時，就會產生全新的效果。解釋這些互利相互作用如何發生是現代物理學的一個關鍵挑戰。
最重要的集體現象之一是近藤效應。它解釋了局部量子自旋如何與材料中移動的電子相互作用。它在決定許多量子系統的行為方面發揮著重要作用。
為什麼研究公寓的影響如此困難？
在真實材料中，分離近藤效應的核心物理原理並不容易。電子不僅僅帶有自旋。它們還穿過材料並佔據不同的軌道。這會導致電荷移動和額外的自由度。當所有這些效應同時發生時，很難將驅動近藤效應的旋轉反應與系統中發生的其他一切分開。
為了處理這種複雜性，物理學家長期以來一直依賴簡單的理論模型。最有影響力的款式之一是 Kondo 項鍊款式，由 Sebastian Doniach 於 1977 年推出。該模型消除了電子運動和軌道效應。剩下的就是一個完全建立在交互式旋轉基礎上的系統。儘管它被廣泛視為探索新量子態的強大框架，但近五十年來，認識到實驗仍然是一個開放的挑戰。
自旋大小會改變量子行為嗎？
這個基本問題已經存在了幾十年：近藤效應對於所有大小的自旋都表現相同嗎？或者改變特定旋轉的大小會改變結果嗎？回答這個問題對於更廣泛地理解量子材料非常重要。
大阪都立大學研究生院研究生院山口弘典副教授領導的研究小組現在給出了答案。該團隊利用精心設計的無機有機複合材料創造了一種新型近藤項鍊。由有機自由基和鎳離子產生。這種精確的設計是通過 RaX-D 實現的，RaX-D 是一種分子設計框架，可以對晶體結構和磁相互作用進行細粒度控制。
從旋轉一半到旋轉一
研究人員此前已成功製造出 1/2 旋轉近藤項鍊。在他們的最新工作中，他們通過添加本地旋轉來擴展系統。 （減少自旋）從 1/2 到 1。熱力學測量揭示了清晰的相變。它表明系統進入磁有序狀態。
詳細的量子分析解釋了這種變化的根源。近藤耦合在自旋 1 矩之間產生強大的磁相互作用。這穩定了整個材料的長程磁序。
挑戰長期以來對磁鐵的看法
多年來，近藤效應被認為本質上是通過將自旋鎖定為單線態來抑制磁力。這是總自旋為零的最糾纏態。新結果顛覆了這一傳統圖景：當局部旋轉超過 1/2 時，同一公寓的相互作用不再削弱磁性。但它會積極推動磁序。
通過在乾淨的純自旋平台中直接比較 spin-1/2 和 spin-1 系統。研究人員已經確定了一個清晰的量子邊界。近藤效應為自旋 1/2 矩創建局部單線態，但為自旋 1 及更高矩保持恆定的磁序。
這項工作提供了第一個直接的實驗證據，表明近藤效應的作用從根本上取決於自旋大小。
對量子材料和技術的影響
“基於近藤效應自旋大小的量子原理的發現開闢了量子材料的新研究領域，”山口說。 “通過控制自旋大小在非磁性和磁性系統之間切換量子態的能力是下一代量子材料的強大設計策略。”
表明近藤效應可以反向發揮作用。取決於旋轉的大小它給出了量子物質的新視角。並為旋轉量子器件的設計建立新的概念基礎。
能夠控制近藤晶格是否變得磁性或非磁性對於未來的量子技術極其重要。這種控制可以影響重要的性質，例如糾纏、磁干擾。研究人員希望這一發現能夠指導新型量子材料的開發。並最終為新興技術做出貢獻。包括量子信息器件和量子計算機。
