Ефектът на Кондо е един от най-важните в квантовата физика – той описва странната интерференция, която магнитните атоми могат да предизвикат в металите. Обикновено, когато металите се охлаждат, те започват да провеждат електричеството по-добре, тъй като намаляването на енергията позволява на електроните да се движат по-плавно. Ако обаче се добавят един или два магнитни атома, под определена температура (температура на Кондо) електрическото съпротивление започва отново да се повишава.
Сега обаче, за първи път в историята на физиката изследователи от Калифорнийския технологичен институт (Калтех) и Йейлския университет в САЩ успяха да количествено определят точно ефекта в реален материал чрез фундаментални физични изчисления.Работата, публикувана в списание Science представлява значителна крачка напред. Преди това учените трябваше да използват експерименти в реални условия и опростени модели, за да определят ефекта на Кондо, без да получават толкова точни предсказания, колкото с новия метод.
Учените знаят за ефекта на Кондо още от 30-те години на миналия век – че магнитните примеси могат да предизвикат повишено електрическо съпротивление при по-ниски температури.
Учените вече знаят какво причинява ефекта на Кондо. Електроните се роят около магнитните примеси в метала, като неутрализират магнетизма на атомите и едновременно с това възпрепятстват електрическия поток. Да знаеш какво се случва обаче не е същото като да можеш да го моделираш с пълна прецизност. Взаимодействията между електроните в този „задача“ са толкова сложни, че е изключително трудно да се предскаже кога ще настъпи промяната в съпротивлението при различни комбинации от метали и магнитни примеси.
Температурите, спиновете на електроните и магнетизмът взаимодействат на невероятно малки мащаби в тези материали, когато ефектът на Кондо влиза в действие. Това е далеч отвъд възможностите дори на най-мощните суперкомпютри.
За да преодолеят тези предизвикателства, изследователите са приложили подход „ab initio“ („от първите принципи“). По-точно, те са заимствали техники от химията, за да моделират по-пълно един магнитен атом, без опростявания, сякаш той беше по-голяма молекула. С помощта на някои математически съкращения и значително компютърно време те са приложили основните закони на квантовата физика към този новомоделиран магнитен атом, като са повтаряли изчисленията отново и отново, за да прецизират своите прогнози.
Чрез сравняване на количествените резултати от моделирането с лабораторните измервания на ефекта на Кондо изследователите са доказали високата степен на точност на своята система за прогнозиране. В някои случаи новият подход се оказа 100 пъти по-точен от настоящото опростено моделиране.Изследователите са избрали най-основните примери за комбинации от метали и магнитни атоми, но в бъдеще съществува потенциал за изследване на все по-сложни материали.
„Тези първи материали, които изучавахме, са като малка крачка или прототипна задача по пътя към по-сложни явления, като например високотемпературни свръхпроводници и квантови магнити.“
казва физикът Гарнет Чан от КалтехПо-добрите методи за прогнозиране означават, че учените могат с по-голяма увереност да разработват и изследват материали, като например свръхпроводници, които обещават да преобразят системите, които използваме за електроенергийни мрежи и изчисления в голям мащаб. Материалите с най-голям потенциал обикновено имат и най-сложното поведение на електроните – и именно тук методите, използвани в това проучване, биха могли да помогнат.
Все още предстои да се постигне голям напредък, но сега, след като е доказано, че подходът работи, изследователите могат да започнат да го разширяват, предоставяйки на учените инструмент за изучаване на сложното квантово поведение на материалите, без да се налага първо да събират лабораторни данни.
„Намираме се в една вълнуваща епоха, в която точните квантови описания, предсказващи цялата химическа сложност на реалните материали, стават все по-достъпни. Става все по-реалистично да се предсказва специфичното за даден материал поведение на корелираните електрони въз основа на първите принципи, дори при някои от най-сложните класове квантови материали.“
казва химикът Линцин Пен от Калифорнийския технологичен институт (Caltech)