Ефект Кондо - одне з найважливіших явищ у квантовій фізиці, що описує незвичайну інтерференцію, що виникає за наявності магнітних атомів у металах.
Як правило, при охолодженні метали починають краще проводити електричний струм, оскільки зниження енергії дозволяє електронам переміщатися вільно. Однак, якщо додати до металу один або кілька магнітних атомів, то нижче певної температури (температури Кондо) електричний опір починає знову зростати.
Це і є ефект Кондо, про який науці вже багато відомо. Проте, дослідникам із Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Єльського університету (США) вперше вдалося точно кількісно описати цей ефект у реальному матеріалі, спираючись виключно на фундаментальні фізичні розрахунки.
Результати цієї роботи, опублікованої в журналі Science, є значним кроком вперед. Раніше для вивчення ефекту Кондо вченим доводилося вдаватися до експериментів та спрощених моделей, які не дозволяли отримати такі точні прогнози, як новий метод.
"Тепер стало можливим передбачати властивості складних матеріалів виключно шляхом обчислень, без звернення до експериментальних даних", - зазначає фізик Гарнет Чан з Caltech.
Причина виникнення ефекту Кондо вченим вже відома: електрони накопичуються навколо магнітних домішок у металі, нейтралізуючи магнетизм атомів і водночас перешкоджаючи проходженню електричного струму.
"У цьому полягає суть ефекту Кондо: він виникає в результаті взаємодії електронів, пов'язаних з домішкою, з електронами, що рухаються в товщі металу", - пояснює Чан.
Однак розуміння фізичної природи явища — це ще не те саме, що здатність змоделювати його з абсолютною точністю. Взаємодія електронів у такій "багаточастковій системі" настільки складна, що дуже важко передбачити, за яких умов відбудеться зміна опору для різних поєднань металів та магнітних домішок.
У процесі прояву ефекту Кондо на неймовірно малих масштабах взаємодіють температури, спини електронів та магнітні моменти. Подібні розрахунки виходять далеко за межі можливостей навіть найпотужніших суперкомп'ютерів.
Щоб подолати ці труднощі, дослідники застосували підхід ab initio (з перших принципів). Вони використовували методи, запозичені з хімії, що дозволило детально змоделювати окремий магнітний атом — без будь-яких спрощень, ніби йшлося про велику молекулу. Використовуючи математичні спрощення та значні обчислювальні потужності, дослідники застосували фундаментальні закони квантової фізики до створеної ними моделі магнітного атома, повторюючи багаторазово розрахунки для уточнення своїх прогнозів.
Зіставивши результати моделювання з лабораторними вимірами ефекту Кондо, вчені підтвердили високу точність запропонованого ними методу. У ряді випадків новий підхід виявився у 100 разів точнішим за наявні спрощені моделі.
У цій роботі розглядалися найпростіші поєднання металів і магнітних атомів, однак у майбутньому цей метод можна буде застосовувати для вивчення набагато складніших матеріалів.
"Перші вивчені нами системи - це лише перший крок, свого роду прототип для дослідження складніших явищ, таких як високотемпературні надпровідники та квантові магніти", - зазначає Чан.
Більш досконалі методи прогнозування дозволяють вченим впевненіше розробляти й досліджувати матеріали, наприклад, надпровідники, які здатні радикально змінити роботу енергомереж та обчислювальних систем великої потужності.
Найперспективніші матеріали найчастіше характеризуються найскладнішою поведінкою електронів, і тут можуть бути корисні підходи, описані у цьому дослідженні.
Має бути ще багато зроблено, але, оскільки ефективність методу вже доведена, дослідники можуть приступити до його масштабування. Це дасть науковій спільноті інструмент вивчення складної поведінки квантових матеріалів без необхідності попереднього отримання експериментальних даних.
"Ми живемо в дивовижний час: тепер стає можливим отримувати точні квантові прогнози, що враховують усю хімічну складність реальних матеріалів", - говорить хімік Ліньцін Пен із Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech).
"Сьогодні вже цілком реально передбачати поведінку корельованих електронів у конкретних матеріалах, спираючись виключно на фундаментальні фізичні принципи навіть для найскладніших класів квантових матеріалів."
