科隆大學的一個物理學家小組解決了凝聚態物理學的一個長期難題：他們在一個人造原子中直接觀測到了可見的近藤效應（磁性雜質導致的金屬中電子的重新聚集）。由於大多數測量技術通常無法直接觀測到原子的磁軌道，因此過去一直未能成功做到這一點。

然而，由科隆大學實驗物理研究所的Wouter Jolie 博士領導的國際研究小組利用一種新技術，在漂浮於石墨烯金屬片上方的一維導線內的人造軌道上觀測到了近藤效應。他們在最近發表於《自然-物理》（Nature Physics）的一篇論文中報告了他們的發現。

當電子在金屬中運動遇到磁性原子時，它們會受到原子自旋的影響–原子自旋是基本粒子的磁極，為了屏蔽原子自旋的影響，電子海在靠近原子的地方聚集在一起，形成一種新的多體狀態，這種狀態稱為近藤共振。通常用於描述金屬與磁性原子的相互作用。然而，其他類型的相互作用也會導致非常相似的實驗特徵，這對錶面單個磁性原子的近藤效應的作用提出了質疑。

物理學家使用了一種新的實驗方法，證明他們的一維導線也受到近藤效應的影響：導線中的電子形成駐波，可以視為擴展的原子軌道。這種人造軌道、它與電子海的耦合，以及軌道與電子海之間的共振轉換，都可以用掃描穿隧顯微鏡成像。這種實驗技術使用鋒利的金屬針以原子分辨率測量電子。這使得研究小組能夠以無與倫比的精度測量近藤效應。

“對於表面上的磁性原子，這就像一個故事：一個從未見過大象的人，試圖透過在黑暗的房間裡觸摸一次大象來想像它的形狀。如果你只摸到軀幹，你想像的動物和你摸到的側面完全不同，”進行實驗的博士生卡米爾-範-埃弗倫（Camiel van Efferen）說。”長期以來，人們只測量近藤共振。但在這些測量中觀察到的信號可能還有其他解釋，就像大象的軀幹也可能是一條蛇一樣”。

實驗物理研究所的研究小組專門從事二維材料（僅由幾層原子組成的結晶固體）的生長和探索，如石墨烯和單層二硫化鉬（MoS2）。他們發現，在兩個MoS2 晶體（其中一個是另一個的鏡像）的界面上，會形成金屬原子絲。

利用掃描穿隧顯微鏡，他們可以在攝氏-272.75 度（0.4 開爾文）的驚人低溫下同時測量磁態和近藤共振，而近藤效應正是在這個溫度下產生的。

理論與實驗數據的關聯

喬利補充說：「雖然我們的測量結果讓人毫不懷疑我們觀測到了近藤效應，但我們還不知道我們的非常規方法與理論預測的對比情況如何。」為此，研究小組尋求了兩位理論物理學家的幫助，他們是科隆大學的阿希姆-羅施教授和尤利希研究中心的特奧-科斯蒂博士，他們都是近藤物理學領域的世界知名專家。

在尤利希的超級電腦中對實驗數據進行分析後發現，近藤共振可以根據磁力線中人工軌道的形狀準確預測出來，從而驗證了凝聚態物理學奠基人之一菲利普-安德森（Philip W. Anderson）數十年前的預測。

科學家現在正計劃利用他們的磁力線研究更奇特的現象。卡米爾-範-埃弗倫解釋說：”把我們的一維導線放在超導體或量子自旋液體上，我們就能創造出由電子以外的其他準粒子產生的多體態。現在可以清楚地看到由這些相互作用產生的迷人的物質狀態，這將使我們能夠在全新的層面上理解它們”。