由洛桑联邦理工学院(EPFL)科学家领导的一个国际团队揭示了层状材料中电子与拓扑缺陷间独特的量子力学相互作用。这种现象可以通过在实验室生长出的大晶体的天然缺陷来重现，这使得未来对近藤系统和量子电子设备的研究更容易进行。

技术上有趣的材料的特性通常源于其原子结构上的缺陷。例如，用铬包裹体改变红宝石的光学特性有助于开发激光，而钻石中的氮空位正在为量子磁力计等应用铺平道路。即使在冶金行业，位错等原子级的缺陷也能提高锻钢的强度。

原子级缺陷的另一个表现形式是近藤效应，它通过散射和减慢电子并改变流过金属的电流来影响金属的导电性能。这种近藤效应首先是在具有极少磁性缺陷的金属中观察到，例如含有百万分之几的铁夹杂物的金。当稀疏的磁性原子使所有的电子都围绕它们旋转时，材料内部的电流运动就会减慢，并且在每个方向上都是相同的。

自从理论物理学家Jun Kondo在1964年描述它以来，这个话题已经出现了几次复兴，科学家已在许多系统中(如碳纳米管、超导体等)都观察到了这种效应。现在，由EPFL的Laszlo Forró教授领导的团队发表了一篇论文，研究人员对近藤效应提出了新的观点，他们通过利用最先进的材料表征工具和可用的微细加工技术使其成为可能。

科学家们研究了磁缺陷的影响，它造成了近藤散射，这是由层状材料中的原子薄平面产生的。由于热力学，薄平面采用了非同寻常的原子配置。这种缺陷本质上是非磁性的，但在低温环境下，电子在缺陷层内会自组织自旋，在材料内部产生了局部的磁性平面缺陷。

到目前为止，这种配置仅通过手动堆叠不同材料的原子薄层或通过昂贵的分子束外延技术在独特和定制的样品中去创建和研究，其中的材料也在超高真空环境中。而该研究使用了由EPFL的Philip Moll教授和他的团队开发的创新的聚焦离子束微加工方法，从而为异常的电子输运特性提供了第一个实验证据。

这种现象可以在由天然产生的缺陷中发现，为探索材料中独特的量子相互作用开辟了一种新的、更容易获得的方法，这可以促进发现并转化为技术解决方案。

该研究的第一作者Edoardo Martino说：“当我们第一次发现电子电导率的异常，我们仍然非常困惑。这种材料的行为就像一种非常标准的金属，它的电子沿着平面移动，但是当被迫在平面之间移动时，它的行为既不是金属也不是绝缘体，并且还不清楚将来会发现什么。这要归功于与我们的同事和理论物理学家在一起的讨论，我们被推向了正确的方向：只需施加一个磁场，看看会发生什么。”

施加磁场后，EPFL的科学家们意识到，磁铁越强大，材料的行为就越奇特。他们开始用EPFL提供的14特斯拉(相当于46万倍地球磁场的强度)超导磁铁进行试验，但很快他们就意识到他们需要更大的强度。他们与格勒诺布尔大学和图卢兹大学的法国香榭丽舍国家实验室合作，接触到了一些世界上最强大的磁铁。他们合作在静态条件下进行了高达34特斯拉的实验，脉冲高达70特斯拉，并持续了几毫秒的时间。

参与这项研究的科学家Konstantin Semeniuk：“我的第一个猜测是，这是一种新型的近藤效应，尽管我们没有在晶体中引入磁性物质。”

Martino说：“一旦我们完成了研究，结果就很清楚了。原子级的缺陷在材料中形成了一种磁壁，将一些试图穿过它的电子反弹了回来。解开这一近藤效应的背后原因表明，热力学可以带来巨大的惊喜。我们相信在这一领域将还有更多的发现，利用电子显微镜、局部磁测量和新的量子模拟能更好地了解原子级缺陷，以了解层状材料中此类缺陷的形成和影响。”（编译:Qtech）