Los efectos cuánticos en las redes de Kondo determinan si un sistema se comporta magnéticamente o no, abriendo nuevas vías para diseñar futuros materiales y tecnologías cuánticos.
El efecto Kondo, la interacción entre espines localizados y electrones de conducción, desempeña un papel central en muchos fenómenos cuánticos.
Sin embargo, la presencia de carga adicional y grados de libertad orbitales en materiales reales dificulta aislar los importantes mecanismos cuánticos detrás del efecto Kondo. En estos materiales, los electrones no sólo tienen espín; También pueden moverse y ocupar órbitas diferentes.
Todos estos movimientos adicionales mezclados hacen que sea difícil concentrarse únicamente en las interacciones de giro que causan el efecto Kondo.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Hironori Yamaguchi de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad Metropolitana de Osaka intentó superar esta barrera.
El modelo de collar Kondo y la posibilidad de abrir nuevos caminos
El modelo de collar Kondo, propuesto por Sebastian Doniach en 1977, simplifica la red Kondo centrándose únicamente en los grados de libertad del giro.
Este modelo se ha considerado durante mucho tiempo una plataforma conceptual prometedora para explorar nuevos estados cuánticos. Sin embargo, su realización experimental sigue siendo un problema sin resolver durante casi medio siglo.
Una cuestión importante es si el efecto Kondo y el comportamiento resultante dependen fundamentalmente del tamaño de los espines locales.
Comprender esta propiedad es de importancia universal en la investigación de materiales cuánticos.
El efecto Kondo cambia según el giro.
El equipo de investigación logró crear un nuevo tipo de collar Kondo utilizando un material híbrido orgánico-inorgánico diseñado con precisión que consiste en radicales orgánicos e iones de níquel.
Este logro fue posible gracias a RaX-D, un marco de diseño molecular avanzado que permite un control preciso sobre la alineación molecular y las interacciones magnéticas resultantes dentro del cristal.
Basándose en una realización anterior del collar Kondo con espín 1/2, los investigadores demostraron que el comportamiento del efecto Kondo cambia cualitativamente cuando el espín localizado (espín decorado) aumenta de 1/2 a 1. Las mediciones termodinámicas revelaron una clara transición de fase a un estado ordenado magnéticamente.
Mediante análisis cuántico, el equipo de investigación reveló que el acoplamiento de Kondo media una interacción magnética efectiva entre los momentos de espín, estabilizando así el orden magnético de largo alcance.
anulando la sabiduría convencional
Este resultado anula la visión convencional de que el efecto Kondo suprime principalmente el magnetismo al acoplar espines libres en singletes, es decir, estados máximamente entrelazados con espín total cero.
En cambio, este estudio muestra que cuando el espín localizado es mayor que 1/2, la misma interacción de Kondo funciona en la dirección opuesta para promover el orden magnético.
Al comparar las realizaciones de espín 1/2 y espín 1 una al lado de la otra en una plataforma limpia de solo espín, los investigadores identificaron un nuevo límite cuántico. El efecto Kondo inevitablemente forma singletes locales en momentos de espín 1/2, pero estabiliza el orden magnético en espín 1 y superiores.
Este hallazgo proporciona la primera evidencia experimental directa de que la función del efecto Kondo depende fundamentalmente del tamaño del espín.
Innovación en nuevos materiales cuánticos
El descubrimiento de que el efecto Kondo se comporta de maneras fundamentalmente diferentes dependiendo del tamaño de los espines proporciona una nueva perspectiva sobre la comprensión de los materiales cuánticos y establece una nueva base conceptual para la ingeniería de dispositivos cuánticos basados en espines.
El profesor Yamaguchi explicó: “El descubrimiento del principio cuántico dependiente del tamaño del espín en el efecto Kondo abre un área de investigación completamente nueva en materiales cuánticos.
«La capacidad de cambiar estados cuánticos entre estados magnéticos y no magnéticos controlando el tamaño del espín representa una poderosa estrategia de diseño para materiales cuánticos de próxima generación».
siguiente paso
Controlar si las redes de Kondo se vuelven magnéticas o no magnéticas es muy relevante para futuras tecnologías cuánticas, ya que permite la manipulación de comportamientos clave como el entrelazamiento, el ruido magnético y la criticidad cuántica.
Los investigadores esperan que sus hallazgos puedan ayudar a innovar en nuevos materiales cuánticos y, en última instancia, contribuir al desarrollo de tecnologías cuánticas emergentes, como los dispositivos de información cuántica y la computación cuántica.
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