Un team dell’Università di Colonia ha osservato con successo l’elusivo effetto Kondo in un atomo artificiale, impiegando un nuovo approccio con un microscopio a effetto tunnel. Questo significativo progresso nella fisica della materia condensata, convalidando le previsioni teoriche, apre nuove strade per esplorare stati esotici della materia.
Tuttavia, il gruppo di ricerca internazionale guidato dal dottor Wouter Jolie presso l’Istituto di fisica sperimentale dell’Università di Colonia ha utilizzato una nuova tecnica per osservare l’effetto Kondo in un orbitale artificiale all’interno di un filo unidimensionale fluttuante sopra un foglio metallico di grafene.
Comprendere l’effetto Kondo
Quando gli elettroni che si muovono attraverso un metallo incontrano un atomo magnetico, vengono influenzati dallo spin dell’atomo: il polo magnetico delle particelle elementari, nel tentativo di schermare l’effetto dello spin atomico, il mare di elettroni si raggruppa vicino all’atomo, formando un nuovo stato a molti corpi chiamato risonanza di Kondo.
Questo comportamento collettivo è noto come effetto Kondo ed è spesso usato per descrivere i metalli che interagiscono con gli atomi magnetici. Tuttavia, altri tipi di interazioni possono portare a firme sperimentali molto simili, mettendo in discussione il ruolo dell’effetto Kondo per singoli atomi magnetici sulle superfici.
Tecniche sperimentali innovative
I fisici hanno utilizzato un nuovo approccio sperimentale per dimostrare che i loro fili unidimensionali sono soggetti anche all’effetto Kondo: gli elettroni intrappolati nei fili formano onde stazionarie, che possono essere pensate come orbitali atomici estesi. Questo orbitale artificiale, il suo accoppiamento al mare di elettroni, così come le transizioni risonanti tra orbitale e mare, possono essere ripresi con il microscopio a effetto tunnel. Questa tecnica sperimentale utilizza un ago metallico affilato per misurare gli elettroni con risoluzione atomica. Ciò ha permesso al team di misurare l’effetto Kondo con una precisione senza precedenti.
“Per molto tempo è stata misurata solo la risonanza Kondo. Ma potrebbero esserci altre spiegazioni per i segnali osservati in queste misurazioni”, ha dichiarato Camiel van Efferen, il dottorando che ha condotto gli esperimenti.
Il gruppo di ricerca dell’Istituto di Fisica Sperimentale è specializzato nella crescita e nell’esplorazione di materiali 2D – solidi cristallini costituiti da pochi strati di atomi – come il grafene e il disolfuro di molibdeno monostrato (MoS2). Hanno scoperto che all’interfaccia di due cristalli di MoS2, uno dei quali è l’immagine speculare dell’altro, si forma un filo metallico di atomi.
Con il microscopio a effetto tunnel, il team ha potuto misurare contemporaneamente gli stati magnetici e la risonanza Kondo, alla temperatura sorprendentemente bassa di -272,75 gradi Celsius (0,4 Kelvin), alla quale emerge l’effetto Kondo.
Teoria di correlazione con dati sperimentali
“Sebbene la nostra misurazione non lasciasse dubbi sul fatto che avessimo osservato l’effetto Kondo, non sapevamo ancora quanto bene il nostro approccio non convenzionale potesse essere paragonato alle previsioni teoriche”, ha aggiunto Jolie. Per questo il team si è avvalso dell’aiuto di due fisici teorici, il professor Dr. Achim Rosch dell’Università di Colonia e il Dr. Theo Costi del Forschungszentrum Jülich, entrambi esperti di fama mondiale nel campo della fisica di Kondo.
Dopo aver elaborato i dati sperimentali nel supercomputer di Jülich, si è scoperto che la risonanza di Kondo poteva essere prevista esattamente dalla forma degli orbitali artificiali nei fili magnetici, convalidando una previsione vecchia di decenni di uno dei padri fondatori della fisica della materia condensata, Philip W. Anderson.
Gli scienziati stanno ora progettando di utilizzare i loro fili magnetici per indagare su fenomeni ancora più esotici.
“Posizionando i nostri fili 1D su un superconduttore o su un liquido con spin quantistico, potremmo creare stati a molti corpi che emergono da quasiparticelle diverse dagli elettroni”, ha spiegato Camiel van Efferen. “Gli affascinanti stati della materia che derivano da queste interazioni possono ora essere visti chiaramente, il che ci permetterà di comprenderli a un livello completamente nuovo”, ha concluso.
Fonte: Nature Physics
