Une équipe de l’Université de Cologne a observé avec succès l’insaisissable effet Kondo dans un atome artificiel, en utilisant une nouvelle approche avec un microscope à effet tunnel. Cette avancée significative dans la physique de la matière condensée, validant les prédictions théoriques, ouvre de nouvelles voies pour explorer les états exotiques de la matière.
Une équipe de physiciens de l’Université de Cologne a résolu un problème de longue date de la physique de la matière condensée : ils ont observé directement l’effet Kondo (le regroupement d’électrons dans un métal provoqué par des impuretés magnétiques) visible dans un seul corps artificiel. atome. Cela n’a pas été réalisé avec succès dans le passé, car les orbitales magnétiques des atomes ne peuvent généralement pas être observées directement avec la plupart des techniques de mesure.
Cependant, l’équipe de recherche internationale dirigée par le Dr Wouter Jolie de l’Institut de physique expérimentale de l’Université de Cologne a utilisé une nouvelle technique pour observer l’effet Kondo dans une orbitale artificielle à l’intérieur d’un fil unidimensionnel flottant au-dessus d’une feuille métallique de graphène. Ils rapportent leur découverte dans un article récent publié dans Physique naturelle.
Comprendre l’effet Kondo
Lorsque des électrons se déplaçant à travers un métal rencontrent un atome magnétique, ils sont affectés par le spin de l’atome – le pôle magnétique des particules élémentaires, en essayant de masquer l’effet du spin atomique, la mer d’électrons se regroupe près de l’atome, formant un nouveau état à plusieurs corps appelé résonance Kondo.
Ce comportement collectif est connu sous le nom d’effet Kondo et est souvent utilisé pour décrire les métaux interagissant avec les atomes magnétiques. Cependant, d’autres types d’interactions peuvent conduire à des signatures expérimentales très similaires, remettant en question le rôle de l’effet Kondo pour les atomes magnétiques uniques sur les surfaces.
Techniques expérimentales innovantes
Les physiciens ont utilisé une nouvelle approche expérimentale pour montrer que leurs fils unidimensionnels sont également soumis à l’effet Kondo : les électrons piégés dans les fils forment des ondes stationnaires, qui peuvent être considérées comme des orbitales atomiques étendues. Cette orbitale artificielle, son couplage à la mer d’électrons, ainsi que les transitions résonantes entre orbitale et mer, peuvent être visualisés avec le microscope à effet tunnel. Cette technique expérimentale utilise une aiguille métallique pointue pour mesurer les électrons avec une résolution atomique. Cela a permis à l’équipe de mesurer l’effet Kondo avec une précision inégalée.
« Avec des atomes magnétiques sur des surfaces, c’est comme l’histoire de la personne qui n’a jamais vu d’éléphant et qui essaie d’imaginer sa forme en le touchant une fois dans une pièce sombre. Si vous ne touchez que le tronc, vous imaginez un animal complètement différent de celui si vous touchez le côté », a déclaré Camiel van Efferen, le doctorant qui a mené les expériences.
« Pendant longtemps, seule la résonance Kondo était mesurée. Mais il pourrait y avoir d’autres explications aux signaux observés dans ces mesures, tout comme la trompe de l’éléphant pourrait aussi être un serpent.»
Le groupe de recherche de l’Institut de physique expérimentale se spécialise dans la croissance et l’exploration de matériaux 2D – des solides cristallins constitués de seulement quelques couches d’atomes – tels que le graphène et le bisulfure de molybdène monocouche (MoS2). Ils ont découvert qu’à l’interface de deux cristaux de MoS2, dont l’un est l’image miroir de l’autre, se forme un fil métallique d’atomes.
Avec leur microscope à effet tunnel, ils ont pu mesurer simultanément les états magnétiques et la résonance Kondo, à une température étonnamment basse de -272,75 degrés C (0,4 Kelvin), à laquelle apparaît l’effet Kondo.
Corréler la théorie avec les données expérimentales
« Bien que nos mesures ne laissent aucun doute sur l’observation de l’effet Kondo, nous ne savions pas encore dans quelle mesure notre approche non conventionnelle pouvait être comparée aux prédictions théoriques », a ajouté Jolie. Pour cela, l’équipe a fait appel à deux physiciens théoriciens, le professeur Dr Achim Rosch de l’Université de Cologne et le Dr Theo Costi du Forschungszentrum Jülich, tous deux experts de renommée mondiale dans le domaine de la physique du Kondo.
Après avoir analysé les données expérimentales dans le superordinateur de Juliers, il s’est avéré que la résonance de Kondo pouvait être prédite avec précision à partir de la forme des orbitales artificielles dans les fils magnétiques, validant ainsi une prédiction vieille de plusieurs décennies de l’un des pères fondateurs de la physique de la matière condensée. , Philip W. Anderson.
Les scientifiques envisagent désormais d’utiliser leurs fils magnétiques pour étudier des phénomènes encore plus exotiques.
« En plaçant nos fils 1D sur un supraconducteur ou sur un liquide de spin quantique, nous pourrions créer des états à plusieurs corps émergeant d’autres quasiparticules que les électrons », a expliqué Camiel van Efferen. « Les états fascinants de la matière qui résultent de ces interactions sont désormais clairement visibles, ce qui nous permettra de les comprendre à un tout autre niveau. »
