Исследователи впервые точно смоделировали эффект Кондо в реальном материале

Исследователи из Калифорнийского технологического института и Йельского университета впервые смогли количественно описать эффект Кондо в реальном материале с помощью расчётов, основанных на фундаментальных законах физики. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Эффект Кондо возникает в металлах, содержащих небольшое количество магнитных атомов. При обычном охлаждении металл проводит электричество лучше: электронам становится проще перемещаться, поскольку снижается их энергия. Однако ниже определённой температуры — температуры Кондо — присутствие магнитной примеси приводит к обратному результату: электрическое сопротивление начинает расти.

Само явление известно физикам достаточно давно, но его точное моделирование для конкретной пары «металл — магнитный атом» остаётся сложной задачей. Электроны взаимодействуют друг с другом как многочастичная система, поэтому заранее определить температуру, при которой сопротивление начнёт увеличиваться, крайне трудно.

Расчёт из первых принципов

Для решения этой проблемы учёные применили подход ab initio — расчёт из первых принципов. Исследователи использовали методы, заимствованные из химии, чтобы подробно описать отдельный магнитный атом без существенных упрощений. В вычислительной модели его рассматривали почти как крупную молекулу.

Затем к этой модели применили фундаментальные законы квантовой физики. Расчёты многократно повторяли и уточняли, используя сложные математические методы и значительные вычислительные ресурсы. Такой подход позволил получить предсказания не на основе подгонки под эксперимент, а исходя из свойств самих материалов.

Сопоставление результатов моделирования с лабораторными измерениями показало высокую точность нового метода. В некоторых случаях он оказался примерно в 100 раз точнее современных упрощённых моделей, применяемых для описания эффекта Кондо.

Шаг к более сложным квантовым материалам

В первой работе учёные выбрали относительно простые комбинации металлов и магнитных атомов. По словам физика Caltech Гарнета Чана, эти системы стали прототипом для будущего изучения более сложных явлений.

Разработанный подход потенциально можно использовать при исследовании высокотемпературных сверхпроводников, квантовых магнетиков и других материалов с сильно коррелированными электронами. Авторы считают, что возможность предсказывать их свойства из первых принципов приблизит моделирование сложных квантовых систем без необходимости каждый раз опираться на экспериментальные данные.