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作為一個群體相互作用時才會出現。單個量子自旋的行為方式相對簡單，但當材料中的自旋相互作用時，就會出現全新的效應。解釋這些集體相互作用是如何產生的是現代物理學的一個重大挑戰。
最重要的集體現象之一是近藤效應。它描述了局域量子自旋如何與材料中的移動電子相互作用，並在塑造許多量子系統的行為中發揮著重要作用。
為什麼近藤效應如此難以研究？
在真實材料中，分離近藤效應的基本物理原理並不容易。電子不僅僅帶有自旋。它們穿過材料並佔據不同的軌道，引入電荷運動和額外的自由度。當所有這些效應同時發生時，就很難將驅動近藤效應的自旋相互作用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化的理論模型。影響最大的模型之一是 Sebastian Doniach 於 1977 年提出的近藤頸模型。該模型消除了電子運動和軌道效應，留下了一個相互作用的自旋系統。儘管它被視為研究新量子態的強大框架，但近五十年來，通過實驗實現它一直是一個公開的挑戰。
自旋大小會改變量子行為嗎
一個基本問題幾十年來一直存在。近藤效應對於所有自旋大小的表現是否相同，或者改變局部自旋大小是否會改變結果？回答這個問題是更廣泛地理解量子材料的關鍵。
大阪都立大學研究生院理學研究科副教授山口弘典領導的研究小組現在給出了答案。該團隊通過精心設計由有機自由基和鎳離子組成的無機混合材料，創造了一種新型近藤項圈。這種精確的設計是使用 RaX-D 實現的，RaX-D 是一種分子設計，可以精細控制晶體結構和磁相互作用。
旋轉一半即可旋轉一
此前，研究人員成功構建了旋轉 1/2 近藤項圈。在他們的最新工作中，他們通過將局部自旋（退卷自旋）從 1/2 增加到 1 來擴展系統。熱力學測量揭示了明顯的相變，表明系統進入了磁有序狀態。
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 矩之間產生有效的磁相互作用，從而穩定了材料的長程磁序。
挑戰長期以來對磁性的看法
多年來，近藤效應被認為通過將自旋鎖定為單線態（一種總自旋為零的最大糾纏態）來抑制磁性。新的結果推翻了這種傳統的看法。當局域自旋超過1/2時，同樣的近藤相互作用不會減弱磁性。相反，它積極促進磁性秩序。
通過在乾淨的純自旋平台上直接比較自旋 1/2 和自旋 1 系統，研究人員確定了清晰的量子邊界。近藤效應對於自旋 1/2 矩總是形成局部單線態，但穩定自旋 1 及更高自旋矩的磁序。
這項工作提供了第一個直接的實驗證據，證明近藤效應的作用取決於自旋大小。
對量子材料和技術的影響
山口說：“近藤效應中自旋尺寸相關的量子原理的發現開闢了量子材料研究的新領域。” “通過控制自旋大小在非磁性和磁性狀態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。”
近藤效應可以根據自旋大小以相反的方式發揮作用，這一演示提供了對量子物質的新見解，並為設計基於自旋的量子器件奠定了新的概念基礎。
能夠控制近藤晶格是否具有磁性對於未來的量子技術尤為重要。這種控制可以產生糾纏、磁噪聲和量子臨界行為等關鍵特性。研究人員希望他們的發現能夠指導新型量子材料的開發，並最終為包括量子信息器件和量子計算在內的新興技術做出貢獻。
