Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Йельского университета разработали новый вычислительный метод, который позволяет предсказывать поведение реальных квантовых материалов без упрощённых моделей. В основе подхода лежат высокоточные расчётные технологии из квантовой химии, изначально созданные для описания молекул. Исследователи применили их к эффекту Кондо — классической квантовой задаче, общая физика которой известна десятилетиями, но точный расчёт для конкретных материалов оставался сложной проблемой.
В ходе работы специалисты разместили по одному семь атомов переходных металлов с магнитными свойствами в меди. Для большинства из этих примесей расчёты показали точность, которая до двух порядков превосходит результаты традиционных модельных предсказаний. Тестирование проводилось на эффекте Кондо, который возникает при взаимодействии электронов примеси с электронами основного металла. Работа опубликована в журнале Science, её возглавили Линцин Пэн и Тяньюй Чжу из Йельского университета, начинавшие проект в лаборатории Caltech.
Суть эффекта Кондо в том, что одиночный магнитный атом, например железа или марганца, помещённый в металл, меняет температурную зависимость электрического сопротивления. В обычном металле при охлаждении сопротивление плавно падает, но с магнитной примесью эта тенденция в какой-то момент меняется на противоположную. При достижении так называемой температуры Кондо сопротивление сначала снижается до минимума, а затем начинает расти. Этот разворот связан с более сложным взаимодействием электронов: неспаренные электроны примеси создают магнитный момент, который при высокой температуре свободно флуктуирует, а при охлаждении электроны металла начинают активнее взаимодействовать с ним и менять собственные спины, что увеличивает рассеяние.
«Теперь можно предсказывать свойства некоторых сложных материалов исключительно расчётом, не обращаясь к эксперименту, — приводит слова Гарнета Чана, профессора химии имени Брена и директора Центра теоретической химии имени Рудольфа А. Маркуса в Caltech, сайт SciTechDaily. — Эти первые изученные нами материалы — как детский шаг, или прототипная задача, на пути к более сложным явлениям, таким как высокотемпературные сверхпроводники и квантовые магниты».
Традиционные вычислительные методы упрощают задачу, сводя электронную структуру материала к небольшому числу орбиталей и применяя приближённую математическую модель. Авторы новой работы пошли другим путём: они сохранили гораздо больше реальной электронной структуры примеси, обращаясь с магнитными атомами скорее как с молекулами. Семь примесей переходных металлов в меди стали прямой проверкой того, способен ли такой химически более точный подход воспроизвести поведение эффекта Кондо для конкретного материала, и для большинства элементов результат оказался значительно точнее упрощённых расчётов.
Протестированные системы пока гораздо проще тех квантовых материалов, которые исследователи хотели бы предсказывать в будущем. Тем не менее полученные результаты говорят о том, что расчёты, учитывающие полную химическую сложность реальных материалов, становятся практически осуществимыми по крайней мере для некоторых сильно коррелированных систем. «Мы живём в захватывающую эпоху, когда достоверные предсказательные квантовые описания полной химической сложности реальных материалов становятся достижимыми, — говорит Пэн. — Становится реальным предсказывать поведение коррелированных электронов для конкретного материала из первых принципов, даже в некоторых самых сложных классах квантовых материалов». Она добавляет, что это важный шаг к вычислительному проектированию материалов, функции которых возникают из запутанной коррелированной физики, например высокотемпературной сверхпроводимости.