(a) Ho3+離子的10個f電子中剩餘的4個電子如何結合的示意圖。矩形和橢圓形分別表示三聯體和單線對。(b) Ho的熵與溫度 3+離子。資料來源:東京城市大學
東京城市大學的一位科學家首次應用數值方法捕捉到f電子系統中的三通道近藤效應量子現象的特徵。Takashi Hotta教授展示了鈥+3離子周圍的電子如何與導電電子相互作用,並在超低溫度下預測剩餘熵值。這項工作還預測了可能顯示這種效果的真實材料的種類。
20世紀凝聚態物理學家面臨的眾多謎題之一是不純金屬電阻率的奇怪情況。金屬中的電阻很大程度上是由於傳導電子被熱能振動的金屬離子散射而引起的。溫度越低,振動越小,影響越弱;人們預計金屬的電阻率在接近絕對零度時就會下降。然而,當金屬不純時,就不會發生這種情況。當溫度降低時,電阻率在再次上升之前達到最小值。這一效應被稱為“近藤效應”,是由近藤俊教授發現的,他發現這是由於磁雜質透過一種稱為雜化的過程與導電電子相互作用。
在20世紀60年代和70年代的無數突破之後,物理學家開始意識到,這僅僅是個開始。事實上,雜質和導電電子相互作用的方式可能更加複雜,特別是當同一雜質可以與多個電子儲層相互作用時,即“多通道”近藤效應。Nozières和Blandin在1980年的開創性工作展示了雙通道近藤效應是如何引起“非費米液體”行為的。除其他外,非費米液體與高溫超導性有關。
現在,東京城市大學的Takashi Hotta教授在一個三維鈥化合物的數值模型中研究了三通道近藤效應。在鈥3+離子的情況下,它們能量最高的電子在4f軌道,這是許多量子態的子集,可能被原子周圍的電子對佔據。六個填充較低的能量態,四個以不同的方式結合,產生自旋單線態和自旋三重態;如圖所示,矩形是三重態,橢圓形是單線態,不同顏色的圓圈表示四個電子。這就形成了一個“自旋= 1”的雜質,它可以同時與三個不同的傳導電子源雜化。Hotta教授使用一種被稱為數值重正化群方法的演算法來模擬這個系統,發現在超低溫下的殘餘熵與三通道近藤效應預測的準確值一致。
重要的是,這項新工作預測了可能出現三通道近藤效應的真實材料,即由1部分鈥、2部分過渡金屬和20部分鋁或鋅組成的1-2-20化合物。在真實的實驗系統中,這種效應可能被觀察到,這為尋找奇異量子基態帶來了新的興奮,為發現新型非費米液體及其潛在應用提供了空間。