Исследователи Калифорнийского технологического института и Йельского университета разработали вычислительный метод, который позволяет точнее предсказывать поведение реальных квантовых материалов. Подход проверили на семи магнитных атомах переходных металлов, поочерёдно помещённых в медь. Для большинства примесей точность расчётов оказалась до ста раз выше, чем у традиционных моделей.
Испытанием стал эффект Кондо — квантовое явление, при котором электрическое сопротивление металла с магнитной примесью сначала уменьшается при охлаждении, а затем начинает расти. Минимум сопротивления достигается при температуре Кондо. Причина такого поведения связана с взаимодействием электронов магнитного атома с электронами, движущимися через металл.
При более высоких температурах магнитный момент примеси свободно меняет направление. По мере охлаждения электроны металла сильнее взаимодействуют со спином атома и могут менять собственные спины, частично компенсируя его магнитный момент. Это усиливает рассеяние электронов и приводит к росту сопротивления, а при ещё более низких температурах вокруг примеси формируется электронное облако, экранирующее её магнитные свойства.
Эффект Кондо относится к задачам многих тел, где поведение частиц нельзя описать независимо друг от друга. Общая теория явления была сформирована в 1970-х годах, в том числе благодаря выпускнику Калифорнийского технологического института Кеннету Уилсону. Однако расчёт точного изменения сопротивления и температуры Кондо для конкретного атома в конкретном материале оставался сложной задачей.
Обычно вычислительные методы упрощают электронную структуру вещества, оставляя лишь небольшое число орбиталей — областей вокруг атомного ядра, где наиболее вероятно нахождение электронов. Команда под руководством Линцин Пэн и Тяньюй Чжу использовала методы квантовой химии, изначально созданные для описания молекул, чтобы сохранить больше особенностей реальной электронной структуры примесей. «Теперь стало возможным предсказывать свойства некоторых сложных материалов исключительно с помощью вычислений, не обращаясь к эксперименту», — сказал старший автор работы Гарнет Чан.
Результаты опубликованы в журнале Science, сообщает SciTechDaily. По словам Пэн, исследованные системы стали первым шагом к расчётам более сложных материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники и квантовые магниты. Работа выполнена при поддержке Управления научных исследований ВВС США, Министерства энергетики США и Национального научного фонда США.