Квантовая загадка, озадачивавшая физиков десятилетиями, наконец разгадана

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 упрощённую модель. Работа опубликована в журнале Science.

Казалось бы, всё просто: чем холоднее металл, тем лучше он проводит ток. Тепловое движение затихает, электроны свободнее скользят по кристаллической решётке. Но стоит добавить ничтожную долю магнитных атомов — и привычная логика рушится. При определённой температуре сопротивление перестаёт падать и неожиданно начинает расти.

Сам механизм этого парадокса физикам давно известен: электроны проводимости «облепляют» магнитную примесь, экранируя её магнитный момент. Однако предсказать, при какой именно температуре эффект проявится в конкретном материале, до сих пор было крайне трудно — для этого нужно учитывать согласованное поведение огромного числа электронов.

Исследователи нашли выход, обратившись к методам квантовой химии, изначально созданным для описания молекул. С их помощью удалось детально восстановить электронную структуру атома примеси внутри металла и на этой основе определить характеристики возникающего квантового состояния.

Подход проверили на семи переходных металлах, внедрённых в медную матрицу. Результат впечатляет: для большинства исследованных примесей точность предсказаний оказалась на голову выше прежних модельных расчётов — в отдельных случаях разница достигала примерно двух порядков величины. Теоретические значения сопоставили с экспериментальными данными и получили убедительное совпадение.

Пока метод испытан на относительно простых системах. Однако в перспективе он способен открыть дорогу к изучению куда более сложных квантовых материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники. Главный итог работы — возможность выводить свойства конкретного вещества напрямую из фундаментальных законов физики, отталкиваясь от его реального химического состава.