Американские исследователи разработали новый метод расчета одного из сложных явлений квантовой физики – эффекта Кондо. Он позволяет с высокой точностью определять, как магнитные примеси влияют на свойства металлов при низких температурах. Результаты работы ученых из Калифорнийского технологического института и Йельского университета опубликованы в научном журнале Science, передает Ulysmedia.kz.
Обычно охлаждение металла приводит к уменьшению его электрического сопротивления. Это происходит потому, что при снижении температуры ослабевают тепловые колебания атомов, которые мешают движению электронов через материал.
Однако присутствие даже небольшого количества магнитных примесей способно изменить привычную закономерность. При достижении определенной температуры сопротивление металла перестает снижаться и начинает увеличиваться, хотя материал продолжает охлаждаться.
Это явление известно физикам как эффект Кондо. Его природа связана с квантовым взаимодействием электронов проводимости и магнитных атомов, находящихся внутри металлической структуры.
При достаточно низких температурах электроны образуют коллективное квантовое состояние, которое экранирует магнитный момент примеси. Несмотря на то что механизм этого процесса давно изучается, точно рассчитать условия его возникновения для конкретного материала оставалось крайне сложной задачей.
Главная трудность заключается в необходимости учитывать одновременное взаимодействие большого количества электронов. Упрощенные теоретические модели позволяют описывать общие закономерности, но не всегда дают достаточно точные результаты для реальных сплавов.
Чтобы решить эту проблему, американские физики обратились к вычислительным подходам из квантовой химии. Такие методы обычно применяются для исследования электронного строения сложных молекул, однако ученые адаптировали их для моделирования магнитных примесей в металлах.
Новый алгоритм позволяет учитывать особенности электронной структуры конкретного атома и окружающей его металлической среды. Благодаря этому исследователи смогли рассчитывать параметры квантового состояния, возникающего при взаимодействии примеси с электронами проводимости.
Работоспособность метода проверили на семи переходных металлах, помещенных в медную матрицу. Полученные результаты сопоставили с экспериментальными измерениями, чтобы оценить точность предложенного подхода.
В большинстве рассмотренных случаев новый метод обеспечил существенно более точные расчеты по сравнению с традиционными моделями. Для отдельных систем улучшение достигало нескольких порядков величины, что указывает на потенциал разработанного вычислительного подхода.
Пока исследование ограничивается относительно простыми металлическими системами. В дальнейшем ученые рассчитывают использовать аналогичные методы для изучения более сложных квантовых материалов, включая соединения, связанные с высокотемпературной сверхпроводимостью.
Практическая значимость работы заключается прежде всего в улучшении возможностей компьютерного моделирования. Более точные расчеты помогут исследователям предсказывать свойства материалов на основе их атомного состава и квантовых взаимодействий, сокращая необходимость многочисленных экспериментальных проверок.