Физики Калифорнийского технологического института и Йельского университета разработали метод, позволяющий точно рассчитывать эффект Кондо для конкретных реальных материалов. Ранее учёные в основном использовали упрощённые модели, которые описывали это явление лишь приблизительно. Новый подход учитывает фактическое атомное и электронное строение вещества.
Метод может стать основой для компьютерного моделирования более сложных квантовых материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники. В таких системах поведение каждого электрона зависит от окружающих частиц, поэтому обычные приближённые расчёты оказываются недостаточными. Результаты опубликованы в журнале Science.
Эффект Кондо возникает, когда магнитный атом, например железо или марганец, оказывается примесью в металле, таком как медь. При охлаждении ниже температуры Кондо сопротивление такого материала сначала достигает минимума, а затем начинает расти, хотя в обычном металле оно продолжало бы снижаться. Причина связана с взаимодействием спина примеси и электронов, движущихся через металл.
При высокой температуре магнитный момент примесного атома может свободно менять направление. По мере охлаждения электроны металла начинают сильнее взаимодействовать со спином примеси и частично компенсируют его, меняя собственные спины. В результате вокруг атома формируется электронное облако, которое экранирует его магнитные свойства, а дополнительное рассеяние электронов вызывает характерное увеличение сопротивления.
Исследователи применили к квантовым материалам высокоточные вычислительные инструменты, созданные первоначально для квантовой химии и расчёта молекул. В отличие от традиционных методов, сводящих электронную структуру к небольшому числу орбиталей и использующих приближённые модели, новый подход сохраняет сложность взаимодействий в магнитной примеси. Испытания провели на семи атомах переходных металлов, помещённых в медь; для большинства из них точность расчётов оказалась до ста раз выше, чем у стандартных модельных методов.
«Теперь можно предсказывать свойства некоторых сложных материалов исключительно с помощью вычислений, не обращаясь к эксперименту», — заявил старший автор работы Гарнет Чан, профессор химии Калифорнийского технологического института и директор Центра теоретической химии имени Рудольфа Маркуса. По словам ведущего автора Линцин Пэн, этот результат приближает создание материалов с заранее заданными свойствами, включая высокотемпературную сверхпроводимость. В работе также участвовали Тяньюй Чжу, Хуанчэнь Чжай, Рунцзе Чи и Чжи-Хао Цуй; исследование поддержали Управление научных исследований ВВС США, Министерство энергетики США и Национальный научный фонд США.