Фізики з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Єльського університету здійснили прорив у квантовій фізиці, вперше точно кількісно описавши ефект Кондо у реальному матеріалі за допомогою фундаментальних фізичних обчислень. Результати їхньої роботи опубліковані в авторитетному науковому журналі Science. Раніше науковцям доводилося покладатися на експерименти в реальному світі та спрощені моделі, які не давали настільки точних прогнозованих результатів.
Ефект Кондо є одним із найважливіших явищ у квантовій фізиці, що пояснює дивну інтерференцію, яку магнітні атоми можуть спричиняти в металах. Зазвичай під час охолодження метали починають краще проводити електрику через зниження енергії та плавкіший потік електронів. Проте додавання навіть кількох магнітних атомів призводить до того, що нижче певної температури, відомої як температура Кондо, електричний опір знову зростає. Це відбувається тому, що електрони скупчуються навколо магнітних домішок, нейтралізуючи магнетизм атомів і водночас перешкоджаючи проходженню струму.
Моделювання такої поведінки є надзвичайно складним завданням через взаємодію температур, електронних спінів та магнетизму на мікроскопічному рівні. Досі це вважалося недосяжним навіть для найпотужніших суперкомп’ютерів. Щоб подолати ці перешкоди, науковці застосували підхід ab initio (з перших принципів), запозичивши методи з хімії. Вони змоделювали окремий магнітний атом без спрощень, ніби це більша молекула, і багаторазово застосували до нього базові закони квантової фізики.
Порівнявши результати моделювання з лабораторними вимірюваннями, дослідники підтвердили високу точність своєї системи. У деяких випадках новий метод виявився у 100 разів точнішим за поточні спрощені моделі. «Тепер можна прогнозувати властивості деяких складних матеріалів виключно шляхом обчислень без звернення до експериментів», — зазначив фізик Гарнет Чан із Caltech.
Наразі вчені вивчили найбільш базові приклади комбінацій металів і магнітних атомів, але в майбутньому планують досліджувати складніші структури. Дослідники вважають поточну роботу лише першим кроком на шляху до вивчення складніших явищ, таких як високотемпературні надпровідники та квантові магніти. Удосконалені методи прогнозування допоможуть вченим впевненіше розробляти матеріали, які здатні трансформувати сучасні енергомережі та обчислювальні системи.
Джерела: sciencealert.com
