钴原子(红色)有一个磁矩(“自旋”，蓝色箭头)，它在外部磁场的作用下不断地重新定向(从自旋向上到自旋向下)。结果，磁性原子激发铜表面(灰色)的电子，使它们振荡(产生波纹)。这是由德国 茨堡-德累斯顿卓越集群ct揭示的。Qmat之所以成为可能，是因为物理学家在他们的扫描隧道显微镜上加入了一个铁尖(黄色)。图片来源:Juba Bouaziz / Ulrich puhlf rst

研究人员揭示了自旋子效应，挑战了传统所有的信念关于量子材料中的磁相互作用，并可能重塑我们对理论量子物理学的理解。

在实验物理学家Matthias Bode教授和Artem Odobesko博士的w 茨堡实验室中，极端条件普遍存在。隶属于卓越集群ct。qmat是JMU w 茨堡大学和德累斯顿工业大学之间的合作项目，这些有远见的人正在为量子研究树立新的里程碑。他们最近的努力是揭开旋光子效应的面纱。

他们策略性地将单个钴原子放置在铜表面，将温度降至1.4开尔文(-271.75摄氏度)，然后将它们置于强大的外部磁场中。“我们使用的磁铁价值50万欧元。这不是一种广泛使用的东西，”博德解释说。他们随后的分析得到了意想不到的启示。

微小的原子，巨大的效应

“我们可以通过扫描隧道显微镜看到单个钴原子。每个原子都有一个自旋，这可以被认为是磁北极或磁南极。测量它对我们惊人的发现至关重要，”博德解释说。“我们将磁性钴原子气相沉积到非磁性铜基上，使原子与铜的电子相互作用。在量子材料中研究这种相关效应是ct的核心。Qmat的使命是追求革命性的技术创新。

就像球坑里的橄榄球

自20世纪60年代以来，固态物理学家就假设钴和铜之间的相互作用可以用近藤效应来解释，即钴原子和铜电子的不同磁取向相互抵消。这导致铜电子与钴原子结合的状态，形成所谓的“近藤云”。然而，博德和他的团队在实验室里进行了更深入的研究。他们验证了2020年由Forschungszentrum j lich研究所的理论家萨米尔·劳尼斯提出的另一个理论。

通过利用强烈的外部磁场的力量，并在扫描隧道显微镜中使用铁尖，w<s:1>茨堡物理学家成功地确定了钴自旋的磁性方向。这种自旋不是刚性的，而是永久地来回切换，即从“自旋向上”(正)到“自旋向下”(负)，反之亦然。这种开关会激发铜电子，这种现象被称为自旋子效应。

博德用一个生动的比喻来说明这一点:“由于自旋排列的不断变化，钴原子的状态可以比作橄榄球。当一个橄榄球在球坑里不停地旋转时，周围的球就会像波浪一样移位。这正是我们观察到的——铜电子开始响应振荡，并与钴原子结合。”博德继续说:“钴原子的磁化强度变化和与之结合的铜电子的结合就是我们的j 利希同事预测的自旋子。”

由w rzburg团队提供的对自旋子效应的首次实验验证，对近藤效应提出了质疑。到目前为止，它被认为是解释量子材料中磁性原子和电子之间相互作用的通用模型，比如钴-铜二极体。博德打趣道:“是时候用铅笔在那些物理教科书上标注一个重要的星号了!”

自旋子和自旋电子学

在自旋子效应中，钴原子保持永久运动，尽管它与电子相互作用，但仍保持其磁性本质。另一方面，在近藤效应中，磁矩被电子相互作用中和。“我们的发现对于理解金属表面磁矩的物理性质是很重要的，”博德宣称。展望未来，这种现象可能为新型电子设备中的磁性信息编码和传输铺平道路。这被称为“自旋电子学”，可以使IT更环保、更节能。

然而，当谈到这种钴铜组合的实用性时，Bode降低了期望。“我们基本上是在超高真空的原始表面上，在超低温下操纵单个原子。这对于手机来说是不可行的。虽然相关效应是理解物质行为的基础研究的分水岭，但我无法建立一个真正的开关。”

目前，w rzburg量子物理学家Artem Odobesko和j lich理论学家Samir Lounis正专注于对自20世纪60年代以来描述各种材料组合中的近道效应的众多出版物进行大规模审查。Odobesko说:“我们怀疑许多可能实际上是在描述自旋子效应，如果是这样，我们将重写理论量子物理学的历史。”

卓越集群

卓越集群qmat -量子物质的复杂性和拓扑结构自2019年以来一直由Julius-Maximilians-Universit?t w rzburg和Universit?t Dresden Technische联合运行。来自四大洲30多个国家的近400名科学家研究拓扑量子材料，这些材料在超低温、高压或强磁场等极端条件下揭示了令人惊讶的现象。ct。qmat由德国联邦和州政府的卓越战略资助，是德国唯一一个位于两个不同联邦州的卓越集群。

参考文献:Felix Friedrich, Artem Odobesko, Juba Bouaziz, Samir Lounis和Matthias Bode的“Co adatoms中spinarons的证据”，2023年10月26日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02262 - 6