Физики научились точно рассчитывать эффект Кондо в реальных материалах

Эффект Кондо — одно из важнейших явлений квантовой физики, описывающее необычное воздействие магнитных атомов на электроны в металлах.

Обычно при охлаждении металлы начинают лучше проводить электричество, поскольку уменьшение энергии позволяет электронам двигаться более свободно. Однако стоит добавить один‑два магнитных атома, и ниже определённой температуры, называемой температурой Кондо, электрическое сопротивление снова начинает расти. Это и есть эффект Кондо, и мы уже довольно много о нём знаем. Но теперь исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Йельского университета впервые смогли точно количественно описать этот эффект в реальном материале с помощью расчётов, основанных на фундаментальной физике.

Работа, опубликованная в журнале Science, представляет собой значительный шаг вперёд. Раньше для количественного описания эффекта Кондо учёным приходилось полагаться на реальные эксперименты и упрощённые модели, которые не давали настолько точных предсказаний. «Теперь стало возможно предсказывать свойства некоторых сложных материалов исключительно с помощью вычислений, не обращаясь к эксперименту», — говорит физик Гарнет Чан из Caltech.

Однако понимать, что происходит, совсем не то же самое, что уметь смоделировать это с высокой точностью. Взаимодействия электронов в этой многочастичной задаче настолько сложны, что предсказать, при какой температуре сопротивление начнёт расти для конкретного сочетания металла и магнитной примеси, чрезвычайно трудно.

Чтобы справиться с этой задачей, исследователи применили подход ab initio, то есть «из первых принципов». Они заимствовали методы из химии, чтобы более полно смоделировать отдельный магнитный атом без упрощений, рассматривая его почти как большую молекулу. Используя математические ухищрения и значительные вычислительные ресурсы, они затем применили к этой модели магнитного атома фундаментальные законы квантовой физики, многократно повторяя расчёты, чтобы уточнять предсказания.

Сравнив результаты моделирования с лабораторными измерениями эффекта Кондо, исследователи продемонстрировали высокую точность своей системы предсказаний. В некоторых случаях новый подход оказался в 100 раз точнее современных упрощённых моделей.

Для этой работы исследователи выбрали наиболее простые сочетания металлов и магнитных атомов, однако в дальнейшем метод потенциально можно будет применять для изучения всё более сложных материалов.

«Эти первые исследованные нами материалы — лишь детский шаг, или прототип задачи, на пути к более сложным явлениям, таким как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые магнетики», — говорит Чан. «Становится реалистичным предсказание поведения коррелированных электронов в конкретных материалах из первых принципов, даже в некоторых из наиболее сложных классов квантовых материалов».