一个微小的自旋变化，竟让著名的量子效应彻底反转

最重要的集体现象之一是近藤效应。它描述了材料中的局域量子自旋如何与巡游电子相互作用，并在塑造许多量子系统的行为方面发挥着重要作用。

为何研究近藤效应如此困难

在实际材料中，分离近藤效应的核心物理机制并非易事。电子不仅携带自旋，还会在材料中移动并占据不同的轨道，这引入了电荷运动和额外的自由度。当所有这些效应同时发生时，很难将驱动近藤效应的自旋相互作用与系统中发生的其他一切区分开来。

为应对这种复杂性，物理学家长期以来依赖简化的理论模型。其中最具影响力的是1977年由塞巴斯蒂安·多尼亚克提出的近藤项链模型。该模型去除了电子运动和轨道效应，留下一个完全由相互作用自旋组成的系统。尽管它被广泛认为是探索新量子态的有力框架，但近五十年来，在实验上实现它一直是一个未解决的挑战。

自旋大小会改变量子行为吗

一个基本问题已持续数十年：近藤效应对于所有自旋大小都表现相同，还是改变局域自旋的大小会改变结果？回答这个问题对于更广泛地理解量子材料至关重要。

大阪市立大学研究生院理学研究科的山口博纪副教授领导的研究团队现在给出了答案。该团队使用由有机自由基和镍离子精心设计的有机-无机杂化材料，创造了一种新型近藤项链。这种精确设计是通过RaX-D实现的，这是一种分子设计框架，可精细控制晶体结构和磁相互作用。

从自旋1/2到自旋1

研究人员此前已成功构建了自旋为1/2的近藤项链。在最新研究中，他们通过将局域自旋（解耦合自旋）从1/2增加到1来扩展该系统。热力学测量揭示了明显的相变，表明该系统进入了磁有序态。

详细的量子分析解释了这种变化的起源。近藤耦合在自旋为1的磁矩之间产生了有效的磁相互作用，从而稳定了整个材料的长程磁有序。

挑战长期以来的磁性观点

多年来，人们认为近藤效应主要通过将自旋锁定为单态（一种总自旋为零的最大纠缠态）来抑制磁性。新结果推翻了这一传统观点。当局域自旋超过1/2时，相同的近藤相互作用不再削弱磁性，反而会积极促进磁有序。

通过在一个纯净的、仅含自旋的平台上直接比较自旋1/2和自旋1系统，研究人员确定了一个清晰的量子边界：近藤效应对于自旋1/2磁矩总是形成局域单态，但对于自旋1及以上则稳定磁有序。

这项工作首次提供了直接的实验证据，证明近藤效应的作用根本上取决于自旋大小。

对量子材料和技术的意义

“在近藤效应中发现依赖于自旋大小的量子原理，为量子材料研究开辟了全新领域，”山口表示，“通过控制自旋大小在非磁性和磁性区域之间切换量子态的能力，代表了下一代量子材料的强大设计策略。”

证明近藤效应可根据自旋大小以相反方式运作，为量子物质提供了新视角，并为设计基于自旋的量子器件奠定了新的概念基础。

能够控制近藤晶格是磁性还是非磁性，对于未来的量子技术尤为重要。这种控制可能会影响关键特性，如纠缠、磁噪声和量子临界行为。研究人员希望他们的发现将指导新量子材料的开发，并最终助力新兴技术，包括量子信息器件和量子计算。