Primera observación experimental de una nube de Kondo

La comunidad científica ha intentado observar el fenómeno cuántico conocido como “nube de Kondo” desde hace décadas. Ahora, un equipo de investigación internacional ha desarrollado un dispositivo innovador que mide eficazmente la longitud de la nube de Kondo e incluso permite controlar dicha nube. Lo conseguido por este equipo de científicos puede considerarse un hito en la física de la materia condensada, y seguramente constituirá un punto de partida de nuevas ideas para comprender mejor los sistemas de impurezas, con aplicaciones prácticas en campos como el de los superconductores de alta temperatura.

El efecto Kondo es un fenómeno físico descubierto en la década de 1930. En los metales, a medida que la temperatura desciende, la resistencia eléctrica suele disminuir. Sin embargo, si hay algunas impurezas magnéticas en el metal, mostrará el resultado contrario cuando se den ciertas condiciones. La resistencia caerá al principio, pero cuando se llegue por debajo de un umbral de temperatura, la resistencia aumentará a medida que la temperatura disminuya más.

Esta paradoja fue resuelta hace más de 50 años en el ámbito teórico por Jun Kondo, un físico teórico japonés y por eso el efecto fue nombrado en su honor. Explicó que cuando un átomo magnético (una impureza) se coloca dentro de un metal, tiene un espín. Pero en vez de acoplarse con un electrón para formar un par con espín hacia arriba y espín hacia abajo, se acopla colectivamente con todos los electrones dentro de algunas áreas a su alrededor, formando así una nube de electrones que rodea a la impureza y que recibe el nombre de “nube de Kondo”. Así que cuando se aplica un voltaje sobre ella, los electrones no son libres de moverse o quedan aislados por la nube de Kondo, lo que resulta en un aumento de la resistencia.

Ilustración esquemática de la detección de la nube de Kondo. (Imagen: Jeongmin Shim)

Algunas propiedades básicas del efecto Kondo ya se demostraron experimentalmente y se vio que están relacionadas con la temperatura de Kondo (la temperatura por debajo de la cual la resistencia empieza a subir). Sin embargo, la medición de la longitud de la nube de Kondo aún no se había logrado. Teóricamente, la nube de Kondo puede extenderse varios micrómetros a partir de la impureza en los semiconductores.

La dificultad para detectar la nube de Kondo radica en el hecho de que la medición de la correlación de espín en el efecto Kondo requiere una muy rápida detección, y no se puede congelar el tiempo para observar y medir cada uno de los electrones individuales, tal como explica Ivan Valerievich Borzenets, profesor en el departamento de física de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) y miembro del equipo de investigación, quien realizó la medición experimental de esta investigación.

Gracias al progreso de la nanotecnología, el equipo de investigación consiguió fabricar un dispositivo que puede confinar una impureza magnética en un punto cuántico, como una pequeña isla conductora con un diámetro de solo unos pocos cientos de nanómetros. Como el punto cuántico es muy pequeño, se puede saber con gran exactitud dónde está la impureza.  Los puntos cuánticos son estructuras nanométricas creadas de manera artificial que en algunos aspectos se comportan como átomos artificiales.

Borzenets y sus colegas han pasado casi tres años trabajando en esta línea de investigación. Su siguiente paso es investigar diferentes formas de controlar el estado de Kondo. "Se pueden hacer muchas otras manipulaciones en el dispositivo. Por ejemplo, podemos usar dos impurezas al mismo tiempo, y ver cómo reaccionarán cuando las nubes se superpongan", explica Borzenets. (Fuente: NCYT Amazings)