Решена квантовая загадка, которая десятилетиями ставила физиков в тупик

Физики Калифорнийского технологического института и Йельского университета научились точно рассчитывать эффект Кондо - явление, при котором магнитные примеси заставляют сопротивление металла расти при охлаждении. Новый подход учитывает реальное строение вещества, а не только его упрощенную модель. Работа опубликована в журнале Science.

Обычно охлаждение помогает металлу проводить электричество: тепловое движение ослабевает, и электронам становится легче перемещаться. Однако даже небольшая примесь магнитных атомов меняет картину. При достаточно низкой температуре сопротивление перестает снижаться и начинает увеличиваться.

Причину этого поведения физики уже знают: электроны проводимости взаимодействуют с магнитной примесью и экранируют ее магнитный момент. Гораздо сложнее предсказать, при какой температуре проявится эффект в конкретном материале. Для этого необходимо учитывать взаимосвязанное поведение множества электронов.

Авторы применили методы квантовой химии, разработанные для описания молекул. Они позволили подробно рассчитать электронную структуру атома примеси внутри металла и затем определить характеристики возникающего квантового состояния.

Метод проверили на семи переходных металлах, атомы которых были внедрены в медь. Для большинства исследованных примесей точность предсказаний заметно превзошла результаты прежних модельных расчетов - в отдельных случаях примерно на два порядка. Полученные значения сопоставили с экспериментальными данными.

Пока подход испытан на относительно простых системах. В перспективе он может помочь изучать более сложные квантовые материалы, в том числе высокотемпературные сверхпроводники. Главное достижение работы - возможность выводить свойства конкретного вещества из фундаментальных законов, учитывая его химический состав.