Эффект Кондо — один из самых важных в квантовой физике, описывающий странную интерференцию, которую магнитные атомы могут иметь в металлах.
Обычно, когда металлы остывают, они становятся лучше проводящими электричество, потому что уменьшение энергии означает, что электроны могут течь более плавно. Однако добавьте один или два магнитных атома, и ниже определенной температуры (температуры Кондо) электрическое сопротивление снова начнет расти.
Это эффект Кондо, и мы уже многое о нем знаем. Но прежде всего в области физики исследователям из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) и Йельского университета в США удалось точно количественно оценить эффект в реальном материале с помощью фундаментальных физических расчетов.
Работа, опубликованная в Наукапредставляет собой значительный шаг вперед. Раньше ученым приходилось использовать реальные эксперименты и упрощенные модели, чтобы точно определить эффект Кондо, не получая столь точных предсказаний, как новый метод.
«Теперь можно предсказывать свойства некоторых сложных материалов исключительно посредством вычислений, не обращаясь к экспериментам», — говорит физик Гарнет Чан из Калифорнийского технологического института.
Ученые уже знают, что вызывает эффект Кондо. Электроны кружатся вокруг магнитных примесей в металле, нейтрализуя магнетизм атомов и одновременно препятствуя электрическому потоку.
«Это признак эффекта Кондо, и это свойство электронов примеси, взаимодействующих с электронами, проходящим через объем металла», — говорит Чен.
Однако знать, что происходит, — это не то же самое, что иметь возможность смоделировать это с полной точностью. Взаимодействия электронов в этой «задаче многих тел» настолько сложны, что очень сложно предсказать, когда произойдет изменение сопротивления для различных комбинаций металлов и магнитных примесей.
Температура, спины электронов и магнетизм взаимодействуют в этих материалах на невероятно малых масштабах по мере того, как проявляется эффект Кондо. Это выходит за рамки возможностей даже самых мощных суперкомпьютеров.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи применили подход ab initio («из первых принципов»). Они позаимствовали методы из химии, чтобы более полно смоделировать один магнитный атом без упрощений, как если бы это была более крупная молекула.
С помощью некоторых математических приемов и большого количества компьютерного времени они затем применили основные законы квантовой физики к этому недавно смоделированному магнитному атому, повторяя расчеты снова и снова, чтобы сузить свои предсказания.
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Сравнивая количественные данные моделирования с лабораторными измерениями эффекта Кондо, исследователи доказали высокий уровень точности своей системы прогнозирования. В некоторых случаях новый подход был в 100 раз точнее нынешнего упрощенного моделирования.
Здесь исследователи выбрали самые простые примеры комбинаций металлов и магнитных атомов, но в дальнейшем есть потенциал для изучения все более сложных материалов.
«Эти первые материалы, которые мы изучили, подобны первому шагу или проблеме прототипа на пути к более сложным явлениям, таким как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые магниты», — говорит Чен.
Более эффективные методы прогнозирования означают, что ученые могут более уверенно разрабатывать и исследовать материалы, такие как сверхпроводники, которые обещают преобразовать системы, которые мы используем для энергетических сетей и крупномасштабных вычислений.
Материалы с наибольшим потенциалом, как правило, имеют и наиболее сложное поведение электронов – и именно здесь могут помочь методы, использованные в этом исследовании.
Предстоит еще многое сделать, но теперь, когда метод доказал свою эффективность, исследователи могут начать его масштабировать, давая ученым инструмент для изучения сложного поведения квантового материала без необходимости предварительного получения лабораторных данных.
«Мы живем в захватывающую эпоху, когда точные предсказательные квантовые описания всей химической сложности реальных материалов становятся все более доступными», — говорит химик Линьцин Пэн из Калифорнийского технологического института.
«Становится реалистичным предсказывать поведение коррелированных электронов в зависимости от материала, исходя из первых принципов, даже в некоторых из самых сложных классов квантовых материалов».
Исследование опубликовано в Наука.
Эта статья была проверена Фионой Макдональд и отредактирована Фионой Макдональд. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
