Une illustration schématique de la détection du nuage Kondo. Crédit :Jeongmin Shim
Les physiciens tentent d'observer le phénomène quantique du nuage de Kondo depuis de nombreuses décennies. Une équipe de recherche internationale a récemment développé un nouvel appareil qui mesure avec succès la longueur du nuage Kondo et permet même de le contrôler. Les résultats peuvent être considérés comme une étape importante dans la physique de la matière condensée, et peut fournir des informations pour comprendre plusieurs systèmes d'impuretés tels que les supraconducteurs à haute température.
Cette percée a été réalisée par une équipe de chercheurs du RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS), Université de la ville de Hong Kong (CityU), Institut avancé coréen des sciences et de la technologie (KAIST), l'Université de Tokyo, et Ruhr-Université de Bochum. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans La nature .
Qu'est-ce que le cloud Kondo ?
L'effet Kondo est un phénomène physique découvert dans les années 1930. Dans les métaux, quand la température baisse, la résistance électrique chute généralement. Cependant, s'il y a des impuretés magnétiques dans le métal, il montrera le résultat inverse. La résistance va baisser dans un premier temps. Mais quand il est en dessous d'un certain seuil de température, la résistance augmentera au fur et à mesure que la température diminuera.
Ce puzzle a été résolu il y a plus de 50 ans par Jun Kondo, un physicien théoricien japonais pour qui l'effet a été nommé. Il a expliqué que lorsqu'un atome magnétique (une impureté) est placé à l'intérieur d'un métal, il a un tour. Mais au lieu de simplement se coupler avec un électron pour former une paire de spin-up et de spin-down, il se couple collectivement avec tous les électrons dans certaines zones qui l'entourent, formant un nuage d'électrons entourant l'impureté, c'est ce qu'on appelle le nuage de Kondo. Lorsqu'une tension est appliquée dessus, les électrons ne sont pas libres de se déplacer ou sont masqués par le nuage de Kondo, entraînant une augmentation de la résistance.
Le dispositif se compose d'une boîte quantique couplée à un canal à une dimension, dans laquelle trois grilles sont encastrées à des distances de 1,4 µm, 3,6 m et 6,1 m de la boîte quantique pour créer des barrières. Crédit :City University of Hong Kong / Nature
Quelle est la taille du nuage ?
Certaines propriétés de base de l'effet Kondo ont été prouvées expérimentalement et se sont avérées être liées à la température Kondo (la température seuil où la résistance commence à augmenter à basse température). Cependant, la mesure de la longueur du nuage de Kondo n'avait pas encore été réalisée. Théoriquement, le nuage de Kondo peut s'étaler sur plusieurs micromètres à partir de l'impureté des semi-conducteurs. Professeur Heung-Sun Sim au Département de physique, KAIST, le théoricien qui a proposé la méthode de détection du nuage de Kondo, a commenté que "le nuage de spin observé est un objet de taille micrométrique qui a une nature d'onde mécanique quantique et un enchevêtrement. C'est pourquoi le nuage de spin n'a pas été observé malgré une longue recherche."
"La difficulté de détecter le nuage de Kondo réside dans le fait que la mesure de la corrélation de spin dans l'effet Kondo nécessite la détection rapide de dizaines de gigahertz. Et vous ne pouvez pas figer le temps pour observer et mesurer chacun des électrons individuels, " a expliqué le Dr Ivan Valerievich Borzenets, Professeur assistant au département de physique de CityU, qui a effectué la mesure expérimentale de cette recherche.
Isoler un seul cloud Kondo dans l'appareil
Grâce aux progrès des nanotechnologies, l'équipe de recherche a fabriqué un dispositif qui peut confiner un spin électronique non apparié (impureté magnétique) dans une boîte quantique, comme une petite île conductrice d'un diamètre de quelques centaines de nanomètres seulement. "Comme le point quantique est très petit, vous pouvez savoir exactement où se trouve l'impureté, " a déclaré le Dr Borzenets.
La connexion au point quantique est un canal unidimensionnel et long. L'électron non apparié est contraint de se coupler aux électrons de ce canal et d'y former un nuage de Kondo. on isole un seul nuage de Kondo autour d'une seule impureté, et nous pouvons également contrôler la taille du nuage, " il expliqua.
La nouveauté du système est qu'en appliquant une tension à différents points à l'intérieur du canal à différentes distances de la boîte quantique, ils induisaient des « barrières faibles » le long du canal. Les chercheurs ont ensuite observé le changement résultant du flux d'électrons et l'effet Kondo avec une force et une position de barrière variables.
Les données recueillies (points verts bleus et violets) de l'expérience sont comparées aux résultats théoriques (croix rouges), et ils s'alignent sur la même courbe. Crédit :City University of Hong Kong / Nature
Le secret réside dans l'amplitude d'oscillation
En changeant les tensions, il a été constaté que la conductance montait et descendait, peu importe où ils mettent les barrières. Et quand il y avait des oscillations de conductance, des oscillations de la température mesurée de Kondo ont été observées.
Lorsque les chercheurs ont tracé l'amplitude d'oscillation de la température de Kondo en fonction de la distance barrière de l'impureté divisée par la longueur théorique du nuage, ils ont constaté que tous leurs points de données tombent sur une seule courbe, comme prévu théoriquement. "Nous avons confirmé expérimentalement le résultat théorique original de la longueur du nuage de Kondo qui est à l'échelle micrométrique, " dit le Dr Borzenets. " Pour la première fois, nous avons prouvé l'existence du nuage en mesurant directement la longueur du nuage de Kondo. Et nous avons découvert le facteur de proportionnalité reliant la taille du nuage de Kondo et la température de Kondo."
Fournir des informations sur plusieurs systèmes d'impuretés
L'équipe a passé près de trois ans dans cette recherche. Leur prochaine étape consiste à étudier différentes manières de contrôler l'État de Kondo. "Beaucoup d'autres manipulations sur l'appareil peuvent être effectuées. Par exemple, on peut utiliser deux impuretés en même temps, et voyez comment ils réagiront lorsque les nuages se chevaucheront. Nous espérons que les résultats pourront fournir des informations sur la compréhension de plusieurs systèmes d'impuretés tels que les réseaux de Kondo, verres de spin et supraconducteurs à haute température de transition."
Selon le Dr Michihisa Yamamoto, Chef d'équipe chez RIKEN CEMS, qui a dirigé la collaboration internationale, "c'est très satisfaisant d'avoir pu obtenir une image spatiale réelle du nuage de Kondo, car il s'agit d'une véritable avancée pour comprendre divers systèmes contenant de multiples impuretés magnétiques. Cette réalisation n'a été rendue possible que par une étroite collaboration avec des théoriciens."
« La taille du nuage de Kondo dans les semi-conducteurs s'est avérée beaucoup plus grande que la taille typique des dispositifs à semi-conducteurs. Cela signifie que le nuage peut arbitrer les interactions entre des spins distants confinés dans des points quantiques, qui est un protocole nécessaire pour le traitement de l'information quantique basé sur le spin des semi-conducteurs. Cette interaction spin-spin médiée par le nuage de Kondo est unique car sa force et son signe (deux spins favorisent une configuration parallèle ou anti-parallèle) sont accordables électriquement, tandis que les schémas conventionnels ne peuvent pas inverser le signe. Cela ouvre une nouvelle voie pour concevoir le criblage et l'enchevêtrement des spins, " expliqua le Dr Yamamoto.
"Il est remarquable d'un point de vue fondamental et technique qu'un objet quantique aussi grand puisse maintenant être créé, contrôlé, et détecté, " a conclu le professeur Heung-Sun Sim.
