《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, SCPMA) 2022年第4期以封面文章形式出版了中国科学技术大学封东来教授和闫亚军研究员(通讯作者)的最新研究成果:“Two-impurity Kondo effect in potassium-doped single-layerp-sexiphenyl films”[1],并同期发表了中国人民大学卢仲毅教授撰写的点评文章[2]。
Kondo效应起源于金属中孤立的磁性杂质与传导电子之间的相互作用,磁性杂质的自旋被传导电子完全屏蔽,在Kondo温度(TK)之下形成了Kondo单态。当磁性原子形成有序的Kondo晶格后,例如各种重费米子体系,磁性原子之间还存在着Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用。Kondo屏蔽和RKKY相互作用之间的竞争产生了众多奇异的量子现象,如铁磁或反铁磁序、重费米液体、非费米液体、量子临界点、非常规超导等。单杂质Kondo效应和Kondo晶格在理论和实验上都得到了广泛的探讨,但是介于这两者的中间区域、两者之间是如何演化的,尽管对全面深入理解Kondo物理非常重要,但还没有得到深入彻底的研究,特别是在实验方面。
双杂质Kondo模型是描述双自旋Kondo体系中Kondo效应和RKKY效应相互作用的经典模型,也是理解单杂质Kondo效应到Kondo晶格演化的关键。双杂质Kondo体系的基态由RKKY耦合强度J和单杂质Kondo温度TK之间的相对强度(J/kBTK)所决定。对于反铁磁型的RKKY相互作用,理论预言当体系存在粒子-空穴对称性时,随着J的增大,两个自旋会从Kondo单态相变成AFM单态;但是当粒子-空穴对称性破缺时,Kondo单态到反铁磁单态是逐渐过渡的(crossover)。多年来,单杂质Kondo效应和Kondo晶格体系在实验中被广泛研究,但双杂质Kondo模型的实验实现相对较少。仅有的一些实验体系也需要原子操纵等技术的支撑,且得到的参数区间比较有限。
此项工作发现生长在Au衬底上的钾掺杂的对六联苯单层膜形成了一种特殊的有序结构(图1(a,b)),被证明是研究双杂质Kondo效应的一个新的理想实验平台。在这个有序相中,相邻单胞边界上的两个六联苯分子携带了局域磁矩,而且它们之间的分子间距可调。当分子间距较大时,两个分子都表现出Kondo单态行为;当分子间距减小到一定值时,Kondo单态发生劈裂,且劈裂大小随着分子间距的减小线性增大,进入了反铁磁单态(图1(c-f))。进一步分析表明Kondo单态到反铁磁单态之间的演化是由分子磁矩之间的RKKY耦合强度所决定的(图2(a)),且这种演化存在一个很广的过渡区间(crossover)。变温实验还发现了有趣的现象,反铁磁单态随着温度的升高迅速被破坏,并在低于Kondo温度TK之下转变回到Kondo单态行为。基于系统的实验结果,绘制了较大参数空间内的完整的实验相图(图2(b)),细致的展现了Kondo单态和反铁磁单态之间的演化对RKKY相互作用强度和温度的依赖关系。该研究有助于深入理解Kondo晶格和重费米子体系中复杂的物理现象,所揭示的能量和温度尺度对后续理论和计算提出了定量限制。
图1:钾原子掺杂的六联苯单层膜中的一种有序相及其电子态性质。(a)STM形貌图;(b)零能下的隧穿电导map图;(c-e)不同分子间距下的六联苯分子上的扫描隧道谱;(f)Kondo峰劈裂的能量ES与分子间距d的关系。
图2:奇异有序相中的(a) RKKY相互作用强度vs分子间距d和(b)实验相图。
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