Ефект Кондо є одним з найважливіших у квантовій фізиці, описуючи дивну взаємодію, яку магнітні атоми можуть мати в металах.
Зазвичай, коли метали охолоджуються, вони стають кращими провідниками електрики, оскільки зменшення енергії дозволяє електронам текти більш плавно. Але якщо додати один або два магнітних атоми, то при досягненні певної температури (температура Кондо) електричний опір починає знову зростати.
Це і є ефект Кондо, про який ми вже знаємо багато. Але вперше в фізиці дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Єльського університету в США змогли точно кількісно оцінити цей ефект у реальному матеріалі за допомогою фундаментальних фізичних розрахунків.
Ця робота, опублікована в Science, є значним кроком вперед. Раніше вчені змушені були використовувати реальні експерименти та спрощені моделі, щоб визначити ефект Кондо, не отримуючи таких точних прогнозів, як новий метод.
Вчені вже знають, що викликає ефект Кондо. Електрони снують навколо магнітних домішок у металі, нейтралізуючи магнетизм атомів і одночасно заважаючи електричному потоку.
Знання того, що відбувається, не є тим самим, що й можливість моделювати це з повною точністю. Складність взаємодій електронів у цій "проблемі багатьох тіл" робить дуже складним прогнозування, коли відбудеться зміна опору для різних комбінацій металів і магнітних домішок.
Температури, спіни електронів і магнетизм взаємодіють на неймовірно малих масштабах у цих матеріалах, коли ефект Кондо починає діяти. Це перевищує можливості навіть найпотужніших суперкомп'ютерів.
Щоб подолати ці труднощі, дослідники застосували підхід ab initio ("з перших принципів"). Вони запозичили техніки з хімії, щоб більш повно змоделювати один магнітний атом, без спрощень, так, ніби це була більша молекула.
Завдяки математичним скороченням і великій кількості комп'ютерного часу вони застосували основні закони квантової фізики до цього ново змодельованого магнітного атома, повторюючи розрахунки знову і знову, щоб звузити свої прогнози.
Порівнюючи кількісні моделі з лабораторними вимірюваннями ефекту Кондо, дослідники довели високий рівень точності своєї системи прогнозування. У деяких випадках новий підхід був у 100 разів точнішим, ніж поточні спрощені моделі.
Дослідники вибрали найпростіші приклади комбінацій металів і магнітних атомів, але в подальшому є потенціал для вивчення все більш складних матеріалів.
Кращі методи прогнозування означають, що вчені можуть більш впевнено розробляти та досліджувати матеріали, такі як суперпровідники, які обіцяють трансформувати системи, які ми використовуємо для електромереж і великих обчислень.
Цікавий факт
Ефект Кондо був вперше описаний у 1930-х роках, і з тих пір вчені продовжують досліджувати його вплив на електричний опір у металах.