Одиночная органическая молекула вызвала эффект Кондо в «молекулярной коробке»

Иллюстрация молекулярного синглета «коробки Кондо», образованного значительным перекрытием орбиталей dπ и π в атомно-молекулярной системе на металлической поверхности. Автор: Ли Сянъян

Группа исследователей под руководством профессора Ли Сянъяна из Хэфэйских институтов физических наук Китайской академии наук совершила новое открытие: одиночная органическая молекула может индуцировать эффект Кондо в магнитном атоме. Это опровергает устоявшееся мнение, что данное квантовое явление требует наличия огромного «моря» металлических электронов.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Эффект Кондо — это квантовый многочастичный феномен, при котором электроны проводимости в металле коллективно экранируют магнитный момент локализованного атома-примеси. Он помогает объяснять поведение сильно коррелированных электронов и вдохновляет на достижения в нанонауке, молекулярной электронике и исследованиях в области квантовой информации.

Традиционно считалось, что этот эффект может возникать только в системах с большим резервуаром металлических электронов, что делает новые результаты особенно поразительными.

В этом исследовании ученые продемонстрировали, что молекулы фталоцианина кобальта (CoPc), нанесенные на металлическую подложку, могут действовать как подвижный резервуар электронов для экранирования спинового состояния атома кобальта, создавая первую «молекулярную коробку Кондо».

Расчеты из первых принципов и экспериментальная проверка показали, что в системе Co–CoPc/Au(111) π-электронные состояния молекулы CoPc гибридизируются с электронами проводимости подложки Au(111). Эта гибридизация позволяет собственным π-электронам молекулы проявлять подвижное поведение.

Эти π-орбитали сильно перекрываются с симметрично согласованными dπ-орбиталями атома кобальта, подавляя конкурирующее экранирование со стороны металлической подложки и позволяя сформировать синглет Кондо на молекулярном масштабе.

Примечательно, что соответствующую температуру Кондо можно точно настраивать, контролируя количество атомов кобальта и общую симметрию молекулярной системы.

По словам команды, это открытие не только расширяет фундаментальное понимание физики Кондо, но и демонстрирует новый уровень стабильности и настраиваемости спиновых состояний.

Больше информации: Xiangyang Li et al, Co and CoPc Molecular Kondo Box on Gold Surface, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/65qq-dknn