近藤效应


自从1930年以来,实验上发现某些掺有磁性杂质原子的非磁性金属(例如,以铜、金、银等为基,掺入杂质铬、锰、铁等的稀固溶体)的电阻-温度曲线在低温下出现一个极小值。

按照通常的电阻理论(见固体的导电性),稀固溶体的电阻应随温度下降而单调下降,最后趋于由杂质散射决定的剩余电阻,因此,难以理解上述现象。1964年,近藤淳对这个现象作了正确的解释,因此人们常把它称作近藤效应。

近藤指出,电阻极小值的出现,是与杂质原子局域磁矩的存在相联系的,是磁性杂质离子与传导电子气交换耦合作用的结果(见交换作用)。交换耦合作用引起传导电子被局域磁性原子散射,使磁性原子自旋反向,传导电子本身也反向;随后,倒向的磁性原子又作用于该传导电子,这一多次散射过程相当于对电子运动的障碍,是使电阻增加的原因。近藤证明,在一定条件下,由于自旋倒向交换散射而引起的电阻率是随温度下降而变大的;而电子-声子相互作用引起的电阻率是随温度下降而变小的,所以稀磁合金的总电阻在低温下会出现电阻极小值。这便是近藤效应的物理图像。实验事实表明,这个图像是正确的(见固体的导电性)。

近藤效应是四十多年前,日本科学家首次发现的物理现象。最近德国亚琛理论物理研究所的科学家们在单个磁性分子中实现了近藤效应,把这方面的研究又向前推进了一步,为研究分子输运提供了可能性。他们的论文发表在5月17日的《PhysicalReviewLetters》杂志上。

论文作者之一WalterHofstetter说:“很多系统中都有近藤效应。但是我们的研究是第一次在单个磁性分子中预言了近藤效应。”Hofstetter和同事们相信这个发现能够用于研制光谱工具,这些工具可以进行很多量子水平的测量。

近藤最初发现温度趋近于零开尔文时,原子的电阻将异常的增强。近藤效应是物理学领域中的第一个渐进自由的例子。渐进自由指的是低温低能条件下,耦合变成非微扰的,而且非常强。

Hofstetter说:“在磁性分子中存在两种相互影响的磁各项异性效应,其中第一种效应实际上对近藤效应有害。利用基本的方法,我们计算了产生近藤效应所需的温度。我们发现的新现象是第二种各项异性效应,著名的分子磁体量子隧穿效应,能够完整地储存,甚至加强近藤效应。这个过程中另外一个感兴趣的现象是其中的电子行为显示出它们就像是只有两个自旋态一样。这个现象很有价值,因为它们的自旋实际上非常高,有些甚至超过了10。但是它们的行为看起来就像是自旋为1/2一样。”

这个新发现有很多实际应用。它的主要价值是它能提取出分子输运中的很多信息。


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