Un equipo de físicos de la Universidad de Colonia ha resuelto un viejo enigma de la física de la materia condensada: han observado directamente el efecto Kondo visible (la reagrupación de electrones en metales causada por impurezas magnéticas) en un átomo artificial. Esto no ha tenido éxito en el pasado porque la mayoría de las técnicas de medición a menudo no observan directamente las órbitas magnéticas de los átomos.
Sin embargo, un equipo de investigación internacional dirigido por el Dr. Wouter Jolie del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Colonia utilizó una nueva técnica para observar el efecto Kondo en una pista artificial dentro de un alambre unidimensional que flota sobre una lámina de metal de grafeno. Informaron sus hallazgos en un artículo publicado recientemente en Nature Physics.
Cuando los electrones que se mueven en un metal encuentran átomos magnéticos, se verán afectados por el espín atómico; el espín atómico es el polo magnético de la partícula elemental. Para proteger la influencia del espín atómico, el mar de electrones se acumula cerca de los átomos, formando un nuevo estado de muchos cuerpos, llamado resonancia de Kondo. A menudo se utiliza para describir la interacción de metales con átomos magnéticos. Sin embargo, otros tipos de interacciones conducen a características experimentales muy similares, lo que plantea dudas sobre el papel del efecto Kondo en átomos magnéticos individuales en la superficie.
Los físicos utilizaron un nuevo método experimental para demostrar que su cable unidimensional también se ve afectado por el efecto Kondo: los electrones en el cable forman ondas estacionarias, que pueden considerarse como orbitales atómicos extendidos. Esta órbita artificial, su acoplamiento con el mar de electrones y el cambio resonante entre la órbita y el mar de electrones se pueden visualizar con microscopía de efecto túnel. Esta técnica experimental utiliza una aguja de metal afilada para medir electrones con resolución atómica. Esto permitió al equipo de investigación medir el efecto Kondo con una precisión incomparable.
"Para los átomos magnéticos en la superficie, es como una historia: una persona que nunca ha visto un elefante intenta imaginar su forma tocándolo una vez en una habitación oscura. Si sólo tocas la trompa, el animal que imaginas es completamente diferente del costado", dijo Camiel van Efferen, estudiante de doctorado que realizó el experimento. "Durante mucho tiempo sólo se midieron las resonancias de Kondo. Pero las señales observadas en estas mediciones podrían tener otras explicaciones, del mismo modo que la trompa del elefante también podría ser la de una serpiente".
El grupo de investigación del Instituto de Física Experimental se especializa en el crecimiento y exploración de materiales bidimensionales (sólidos cristalinos formados por sólo unas pocas capas de átomos), como el grafeno y el disulfuro de molibdeno monocapa (MoS2). Descubrieron que en la interfaz de dos cristales de MoS2, uno de los cuales es una imagen especular del otro, se forman filamentos de átomos metálicos.
Utilizando un microscopio de efecto túnel, pudieron medir simultáneamente el estado magnético y la resonancia Kondo a la sorprendentemente baja temperatura de -272,75 grados Celsius (0,4 Kelvin), la temperatura a la que se produce el efecto Kondo.
Correlación entre teoría y datos experimentales.
"Aunque nuestras mediciones no dejan ninguna duda de que estamos observando el efecto Kondo, todavía no sabemos cómo se compara nuestro enfoque poco convencional con las predicciones teóricas", añade Jolly. Para ello, el equipo contó con la ayuda de dos físicos teóricos, el profesor Achim Rosch de la Universidad de Colonia y el Dr. Theo Costi del Centro de Investigación de Jülich, ambos expertos de renombre mundial en física de Kondo.
El análisis de los datos experimentales en el superordenador de Jülich reveló que la resonancia de Kondo se puede predecir con precisión basándose en la forma de las órbitas artificiales en las líneas del campo magnético, verificando así la predicción realizada hace décadas por Philip W. Anderson, uno de los fundadores de la física de la materia condensada.
Ahora los científicos planean utilizar sus líneas de campo magnético para estudiar fenómenos aún más exóticos. "Al colocar nuestros cables unidimensionales sobre un superconductor o un líquido de espín cuántico, podemos crear estados de muchos cuerpos producidos por cuasipartículas distintas de los electrones. Ahora es posible ver claramente los fascinantes estados de la materia resultantes de estas interacciones, lo que nos permitirá comprenderlos a un nivel completamente nuevo", explica Kamil van Efren.