Эффект Кондо — одно из ключевых явлений квантовой физики: он описывает необычное вмешательство магнитных атомов в металлах, которое вызывает рост электрического сопротивления при понижении температуры. Исследователи из Калтеха и Йеля нашли способ точно количественно охарактеризовать этот эффект в реальном материале с помощью фундаментальных физико-математических расчётов, не прибегая к экспериментам и упрощённым моделям, как ранее. Это стало возможным благодаря применению подхода «ab initio» — расчётов от первых принципов. (Источник: блоки 0, 1, 2, 3)

В материалах сопротивление обычно снижается с охлаждением, поскольку энергия уменьшается и электроны текут свободнее. Но при наличии магнитного примеси ниже некоторой температуры, так называемой температуры Кондо, сопротивление снова растёт. Именно это необычное поведение и изучали биотехнологически точным образом — теперь с помощью нового метода, который позволяет предсказывать свойства материала, не полагаясь на экспериментальные данные. (Источник: блоки 1, 3)

Авторы исследования подчёркивают систематическую точность нового подхода: ранее связь между теоретическими моделями и лабораторными измерениями была слабой, а предсказания не всегда подходили под конкретные сочетания металлов и примесей. В Science опубликованы результаты, которые, как отмечают учёные, представляют значительный шаг вперёд по сравнению с существующими методами. (Источник: блоки 3, 21)

Объяснение сути найденного прогресса приводит к самой идее: «когда расчёты и экспериментальные данные согласуются, мы приближаемся к тому, чтобы предсказывать поведение сложных материалов без экспериментальной проверки в отдельных случаях», — говорит физик Гарнет Чан (Caltech). Отмечается, что начальные материалы — это по сути базовые примеры металлов и сочетаний с магнитными атомами, а в будущем подход может применяться к более сложным системам. (Источник: блоки 5, 15, 14)

По словам Чана, скольжение электронов вокруг примесей разрушает магнитность атомов и в то же время препятствует току; это и есть сигнатура эффекта Кондо — взаимодействие электронов примеси с электронами, несущими ток в куске кристалла. Однако предсказать точное, при каком сочетании материалов возникнет резкий скачок сопротивления, остаётся трудно из-за сложности электронных взаимодействий — так называемой задачи многих тел. (Источник: блоки 6, 7, 8)

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи применили подход ab initio, «из первых принципов», — переняв методы из химии для моделирования одиночного магнитного атома как крупной молекулы без упрощений. Затем они применили базовые законы квантовой физики к такой модели и повторяли расчёты, добиваясь сужения диапазона предсказаний. Это позволило получить точные количественные оценки свойств эффекта Кондо в конкретных примерах. (Источник: блоки 10, 11)

Сопоставление результатов моделирования с лабораторными данными подтвердило высокий уровень точности новой системы предсказаний. В отдельных случаях её точность оказалась вдвое, а порой до ста раз выше по сравнению с существующими упрощёнными моделями. По словам авторов, задача — расширять расчётную модель и масштабировать методику на более сложные материалы. (Источник: блоки 13, 18)

Авторы подчёркивают, что первые изученные материалы — это отправная точка на пути к более сложным феноменам, таким как сверхпроводимость при высоких температурах и квантовые магниты. Более точные методы прогнозирования позволят разработку материалов, которые могли бы преобразовать энергетическую инфраструктуру и крупномасштабные вычисления. (Источник: блоки 15, 16, 17)