Фізики вперше точно прорахували квантовий ефект Кондо в металах

23 жовтня 2026 р. 12:00

23 жовтня 2026 р. 12:00

Фізики з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) та Єльського університету вперше зуміли з високою точністю прорахувати один із ключових квантових феноменів у металах – ефект Кондо – без опори на експеримент, лише за допомогою фундаментальних розрахунків. Про це повідомляє видання ScienceAlert .

Ефект Кондо описує дивну поведінку електричного опору металів із магнітними домішками. Зазвичай, коли метал охолоджується, його провідність поліпшується: електрони рухаються крізь кристалічну ґратку з меншими перешкодами, і опір падає. Але якщо в металі є хоча б кілька магнітних атомів, нижче певної температури – так званої температури Кондо – опір раптово починає зростати.

Що таке ефект Кондо і чому він складний для розрахунків

Про те, що магнітні домішки можуть підвищувати опір при низьких температурах, фізики знають ще з 1930-х років. Сьогодні добре зрозуміло й механізм: електрони в металі «оточують» магнітні атоми, утворюючи хмару, яка екранує їхній магнітний момент. Ця взаємодія одночасно гасить магнетизм домішки та заважає руху електронів, що й проявляється як зростання опору.

Це характерна «візитівка» ефекту Кондо – результат взаємодії електронів у домішці з електронами, які рухаються крізь об’єм металу. Однак знати якісну картину ще не означає вміти точно передбачити, за якої саме температури й за яких поєднань металів і магнітних атомів відбудеться перелом у поведінці опору.

Проблема в тому, що це класичне «багаточастинкове» завдання: спіни електронів, магнетизм і температура переплітаються на надзвичайно малих масштабах. Кількість можливих станів системи настільки велика, що навіть найпотужніші суперкомп’ютери не здатні просто «в лоб» прорахувати всі варіанти з потрібною точністю.

Підхід з перших принципів і хімічні методи

Щоб обійти ці обмеження, команда застосувала підхід ab initio – «з перших принципів». Дослідники запозичили методики з квантової хімії, де давно навчилися детально моделювати складні молекули. Вони розглядали окремий магнітний атом у металі як велику молекулу й описували його без спрощень.

Далі, використовуючи базові закони квантової механіки, вчені багаторазово повторювали розрахунки для цієї моделі, застосовуючи математичні скорочення та витрачаючи значний обсяг обчислювального часу. Так їм вдалося крок за кроком звузити діапазон можливих значень і отримати дуже точні передбачення параметрів ефекту Кондо.

Окремо дослідники порівняли результати моделювання з лабораторними вимірюваннями ефекту Кондо в простих системах «метал + магнітна домішка». Це дозволило перевірити, наскільки добре працює новий підхід.

Точність до ста разів вища за спрощені моделі

Порівняння з експериментом показало, що нова методика дає дуже високу точність. У деяких випадках розрахунки виявилися до 100 разів точнішими за спрощені моделі, які фізики використовували раніше для опису ефекту Кондо.

Поки що команда свідомо обрала найпростіші можливі приклади поєднань металів і магнітних атомів – фактично «прототипні» системи, на яких зручно відпрацьовувати метод. Але дослідники підкреслюють, що це лише перший крок до аналізу значно складніших квантових матеріалів.

За словами фізика Гарнета Чана (Garnet Chan) з Caltech, ці перші матеріали можна вважати «дитячим кроком» на шляху до розуміння явищ на кшталт високотемпературної надпровідності та квантових магнітів, де поведінка електронів ще заплутаніша.

Шлях до проєктування складних квантових матеріалів

Поліпшення методів передбачення властивостей матеріалів має практичне значення. Надпровідники та інші квантові матеріали з незвичайною електронною поведінкою розглядають як основу для майбутніх енергетичних систем, квантових комп’ютерів і потужних обчислювальних центрів.

Парадокс у тому, що саме матеріали з найбільшим потенціалом зазвичай мають найскладнішу електронну структуру. Саме тут новий підхід може стати особливо корисним: він дає змогу вивчати поведінку сильно скорельованих електронів у реальних матеріалах ще до проведення дорогих і тривалих експериментів.

Автори роботи наголошують, що попереду ще багато роботи, але тепер, коли методика продемонструвала свою дієздатність, її можна масштабувати на ширший клас систем. Це відкриває шлях до того, щоб отримувати надійні квантові описи складних матеріалів «на папері», а вже потім переходити до їх експериментального вивчення.

Хімік Лінцін Пен (Linqing Peng) з Caltech зазначає, що ми входимо в епоху, коли стає реалістичним передбачати специфічну для матеріалу поведінку скорельованих електронів із перших принципів навіть у найскладніших класах квантових матеріалів.

Ознайомитися з відеопоясненням до теми можна в ролику за посиланням: .

Наука