مشاهده اثر Kondo در کانال‌های کوانتومی

گروهی از محققان فرانسوی با استفاده از یک میکروسکوپ روبشی گیتی نشان داده‌اند که امواج الکترونی پراشی از یک نقطه تماس کوانتومی نشانه‌هایی از برهم‌کنش‌های اسپین الکترونی موضعی را با خود حمل می‌کنند.

محققان با استفاده از یک میکروسکوپ روبشی گیتی نشان داده‌اند که امواج الکترونی پراشی از یک نقطه تماس کوانتومی نشانه‌هایی از برهم‌کنش‌های اسپین الکترونی موضعی را با خود حمل می‌کنند.
یکی از واحدهای ساختمانی اصلی در ابزارهای نانوالکترونیکی، یک نقطه تماس کوانتومی یا QPC است. نقطه تماس کوانتومی به یک کانال مسطح باریک گفته می‌شود که عرض آن قابل مقایسه با طول موج یک الکترون است. بر خلاف یک سیم معمولی که در آن رسانایی با تغییر عرض سیم به شکلی پیوسته تغییر می‌کند، رسانایی QPCها کوانتیده و پله‌ای بوده و به شکل ضریبی از 2e2/h تغییر می‌یابد. در اینجا e بار الکترون و h ثابت پلانک است. این پله‌ها در QPCهای ساخته شده از مواد مختلف مشاهده شده و نشانه‌ای از فیزیک مزوسکوپی هستند. اما تقریباً در تمام این QPCها، یک فرونشانی شانه‌مانند اضافی و کوچک در رسانایی حدود (0.7) 2e2/h دیده می‌شود که در دمای نزدیک صفر مطلق از بین می‌رود. منشأ این فرونشانی که بی‌‌نظمی 0.7 نامیده می‌شود، به مدت 20 سال مورد بحث بوده است.
هرمان سلیر از دانشگاه گرنوبل آلپس فرانسه به همراه همکارانش مستقیم‌ترین مدرک تجربی را که نشان می‌دهد این بی‌نظمی مربوط به اثر Kondo است، ارائه کرده‌اند. اثر Kondo به برهم‌کنش چندگانه میان الکترون‌های سیار و اسپین الکترون‌های موضعی گفته می‌شود. درک این برهم‌کنش‌ها می‌تواند به طراحی ابزارهای مبتنی بر QPC که در آن‌ها اسپین الکترون‌ها قادر به ذخیره‌سازی داده‌هاست، کمک کند.
QPCها به طور معمول از طریق الکتروستاتیکی با اعمال یک اختلاف پتانسیل منفی به دو صفحه یا گیت فلزی بسیار نزدیک به هم که روی یک گاز الکترونی دوبعدی قرار دارند، ایجاد می‌شوند. ولتاژ اعمال شده به سرعت الکترون‌های زیر گیت‌ها را تخلیه کرده و تنها یک کانال باریک از الکترون‌ها یا همان QPC را میان دو گیت باقی می‌گذارد. گازهای الکترونی دوبعدی در هر دو سر QPCها به‌عنوان مخزن بار عمل کرده و عرض QPCها را می‌توان با تغییر ولتاژ گیت‌ها کنترل کرد.
رسانایی کوانتیده تنها در یک QPC تمیز ایجاد می‌شود که در آن الکترون‌ها قبل از پراش (انتقال بالستیک) مسافت نسبتاً زیادی را طی می‌کنند. اندازه هر گام رسانایی (2e2/h) را می‌توان به طور مستقیم از محاسبه مکانیک کوانتومی انتقال امواج کوانتومی غیرتعاملی از یک مانع تعیین کرد. ضریب 2 از زوال دوبرابری مرتبط با اسپین الکترون ناشی می‌شود. با این حال محققان نمی‌توانستند با استفاده از این تصویر ساده الکترون‌های غیرتعاملی، بی‌نظمی 0.7 را که در QPCهای ساخته شده از آرسنید گالیوم، سیلیکون و گرافن مشاهده می‌شود، توضیح دهند. این امر نشان می‌دهد که این بی‌نظمی می‌تواند ناشی از برهم‌کنش و تعامل میان الکترون‌ها باشد.
جزئیات این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.