การวัดทดลองครั้งแรกของก้อนเมฆ Kondo ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ควบแน่นที่เพิ่มความต้านทานไฟฟ้าของโลหะบางชนิดที่อุณหภูมิต่ำได้อย่างมาก เป็นการยืนยันว่าโครงสร้างที่คาดการณ์ไว้นานนี้มีอยู่จริง มากกว่าครึ่งศตวรรษหลังจากที่ได้มีการตั้งสมมติฐานครั้งแรก การวัดแบบใหม่สามารถปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระบบสสารควบแน่นที่มีสารเจือปนที่เป็นแม่เหล็กหลายตัว
ซึ่งรวมถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงสูง
ในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักฟิสิกส์พบแนวโน้มที่น่าประหลาดใจในความต้านทานไฟฟ้าของโลหะที่มีสิ่งเจือปนที่เป็นแม่เหล็ก ความต้านทานไฟฟ้าแตกต่างจากโลหะที่ไม่มีสิ่งเจือปน ความต้านทานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด และจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่ออุณหภูมิลดลงอีก
ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้อธิบายจนกระทั่งปี 1964 เมื่อนักทฤษฎีชาวญี่ปุ่น Jun Kondo แสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิต่ำการหมุนของสิ่งเจือปนทางแม่เหล็กรวมกันเป็นคู่หรือกลายเป็น “ติดอยู่” กับอิเล็กตรอนทั้งหมดในพื้นที่ ก้อนเมฆที่เป็นผลลัพธ์ของอิเล็กตรอนแบบหมุนคู่ – Kondo cloud – กรองอิเลคตรอนนำไฟฟ้าและป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ ผลที่ได้คือความต้านทานของโลหะเพิ่มขึ้น
การแยกเมฆคอนโดแม้ว่าสปินจะมีปฏิสัมพันธ์เฉพาะกับอิเล็กตรอนรอบ ๆ สิ่งเจือปนทางแม่เหล็ก แต่ในทางทฤษฎีแล้ว เมฆคอนโดะสามารถแพร่กระจายออกไปได้หลายไมครอน การคาดคะเนนี้เป็นแรงบันดาลใจให้ทีมนักวิจัยจาก RIKEN Center for Emergent Matter Science ของญี่ปุ่น , City University of Hong Kong , Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), University of TokyoและRuhr-University Bochum ในเยอรมนี พยายามวัดผล ความยาวของ Kondo cloud ในระบบที่เกี่ยวข้อง: ชิ้นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กที่เรียกว่าจุดควอนตัม (QDs) ในที่นี้ การหมุนของอิเล็กตรอนแบบไม่มีคู่ซึ่งติดอยู่ที่จุดนั้นมีบทบาทเป็นสิ่งเจือปนทางแม่เหล็กในโลหะ
ในงานของพวกเขา นักวิจัยได้ประดิษฐ์ QD
และเชื่อมต่อกับช่องสัญญาณมิติเดียวที่ยาวซึ่งเป็นที่ตั้งของ Fabry-Pérot interferometer ที่มีอ่างเก็บน้ำอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่หมุนในคู่ QD กับอิเล็กตรอนในช่องนี้ เมฆคอนโดจะก่อตัวขึ้น Ivan Borzenets หัวหน้าทีมวิจัยอธิบายว่า “ด้วยวิธีนี้ เราจึงแยกคลาวด์ Kondo เพียงก้อนเดียวรอบๆ สิ่งเจือปนเพียงจุดเดียว และสามารถควบคุมขนาดของคลาวด์ได้เช่นกัน”
นักวิจัยได้ใช้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปตามจุดต่างๆ ตามแนวช่องสัญญาณเพื่อทำให้เกิดอุปสรรคที่อ่อนแอ จากนั้นพวกเขาสังเกตเห็นว่าค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณและอุณหภูมิคอนโด – ปริมาณแปรผกผันกับความยาวของก้อนเมฆคอนโดและค่อนข้างตรงไปตรงมาในการวัด – เปลี่ยนไปตามหน้าที่ของความแรงและตำแหน่งของอุปสรรค
ข้อมูลที่เก็บรวบรวมจากการทดลอง ที่มาของรูปภาพ: DOI: 10.1038/s41586-020-2058-6
“เมื่อเราวางสิ่งรบกวน (สิ่งกีดขวางที่อ่อนแอ) ในช่อง 1D ของเราที่ระยะควบคุมห่างจากสิ่งเจือปนทางแม่เหล็ก จากนั้นเปิดใช้งานการรบกวนนี้ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในอุณหภูมิคอนโดที่วัดได้” Borzenets กล่าวกับPhysics World “หากการก่อกวนอยู่ในระยะที่อยู่ภายในก้อนเมฆคอนโดะ อุณหภูมิคอนโดจะได้รับผลกระทบอย่างรุนแรง ในทางกลับกัน หากอยู่นอกระบบคลาวด์ ผลกระทบจะน้อยมาก”
ผลการศึกษาพบว่าการแกว่งของค่าการนำไฟฟ้า
ใกล้เคียงกับการสั่นในอุณหภูมิคอนโดที่วัดได้ โดยพล็อตแอมพลิจูดของการสั่นของอุณหภูมิ Kondo กับระยะห่างระหว่างสิ่งกีดขวางและสิ่งเจือปนหารด้วยความยาวของเมฆตามทฤษฎี ทีมงานพบว่าจุดข้อมูลทั้งหมดของพวกเขาตกลงบนเส้นโค้งเส้นเดียว ตามที่คาดการณ์ไว้ (ดูกราฟ)
การแกว่งของควอนตัมปรากฏในฉนวนคอนโดปัจจัยสัดส่วนทีมงานกล่าวว่าพวกเขาได้พิสูจน์การมีอยู่ของ Kondo cloud โดยการวัดความยาวโดยตรง พวกเขายังระบุปัจจัยสัดส่วนที่เกี่ยวข้องกับขนาดของเมฆกับอุณหภูมิคอนโด ตอนนี้พวกเขาวางแผนที่จะศึกษาระบบคอนโดที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมีสิ่งเจือปนหลายอย่าง
“ตัวอย่างเช่น เราสามารถใส่สิ่งเจือปนสองสิ่งลงในจุดควอนตัมในเวลาเดียวกัน และสังเกตว่าพวกมันมีปฏิกิริยาอย่างไรเมื่อเมฆทับซ้อนกัน” Borzenets กล่าว “ผลลัพธ์จากการทดลองเหล่านี้ควรให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับพฤติกรรมของระบบสิ่งเจือปนหลายระบบ เช่น ตาข่าย Kondo, แว่นตาหมุน และตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง”
มิจิฮิสะ ยามาโมโตะ หัวหน้าทีมกล่าวว่า “เป็นเรื่องน่าพอใจมากที่สามารถรับภาพอวกาศจริงของเมฆคอนโดะได้ เนื่องจากเป็นความก้าวหน้าที่แท้จริงในการทำความเข้าใจระบบต่างๆ ที่มีสารเจือปนแม่เหล็กหลายอย่าง” “ความสำเร็จนี้เกิดขึ้นได้ด้วยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับนักทฤษฎีเท่านั้น”
Heung-Sun Sim นักทฤษฎี KAIST ซึ่งเสนอวิธีการตรวจจับเมฆ Kondo เห็นด้วย: “มันน่าทึ่งจากมุมมองพื้นฐานและทางเทคนิคที่ตอนนี้สามารถสร้าง ควบคุม และตรวจจับวัตถุควอนตัมขนาดใหญ่ได้”
โดยใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป Iverson และ Zoet ได้จำลองธารน้ำแข็งของตัวเองในห้องทดลอง ในปี 2009 Iverson ได้สร้างอุปกรณ์ตัดวงแหวนที่มีวงแหวนน้ำแข็งหนา 20 ซม. และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.9 ม. ซึ่งสามารถหมุนได้ที่ความเร็วระหว่าง 0.3–3048 เมตรต่อปีบนพื้นผิวที่เลือก สิ่งนี้เกิดขึ้นภายในเครื่องอัดไฮดรอลิกที่สามารถบีบน้ำแข็งเพื่อจำลองน้ำหนักของธารน้ำแข็งที่อยู่เหนือชั้นซึ่งมีความหนา 244 ม.
อุปกรณ์นี้ถูกเก็บไว้ในช่องแช่แข็งแบบวอล์กอิน โดยมีวงแหวนล้อมรอบด้วยของเหลวหมุนเวียนที่ช่วยให้น้ำแข็งอยู่ที่จุดหลอมเหลวเท่านั้น จึงเลื่อนไปตามแผ่นฟิล์มบางๆ ของน้ำ เช่นเดียวกับธารน้ำแข็งที่ไหลเร็วทั้งหมด สำหรับฐานจำลองภายใต้น้ำแข็ง นักวิจัยใช้น้ำแข็งจริงจนได้ส่วนผสมของโคลน ทราย และหินขนาดใหญ่ที่ถูกต้อง
Iverson กล่าวว่า “เราติดตามความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างแรงลากที่ยึดน้ำแข็งไว้ที่ด้านล่างของธารน้ำแข็งและความเร็วที่ธารน้ำแข็งจะเลื่อนไหล” “ซึ่งรวมถึงการศึกษาผลกระทบของความแตกต่างระหว่างแรงดันน้ำแข็งบนเตียงและแรงดันน้ำในรูพรุนของไถ – ตัวแปรที่เรียกว่า ‘แรงดันที่มีประสิทธิภาพ’ ซึ่งควบคุมแรงเสียดทาน”
Credit : politicaoperaria.net postalpoetry.org provinciabeticafranciscana.org puntoperpunto.info puntoperpunto.net
