Американские ученые впервые смогли с абсолютной математической точностью рассчитать и спрогнозировать поведение электронов при возникновении эффекта Кондо — одной из главных квантовых тайн, которая ставила физиков в тупик на протяжении десятилетий. Уникальный вычислительный метод позволяет моделировать сложные квантовые материалы без проведения дорогостоящих и долгих лабораторных экспериментов. Об этом сообщает «Хайтек» со ссылкой на исследование в журнале Science.
Эффект Кондо, открытый еще в 1930-х годах, описывает аномальное поведение металлов при экстремальном охлаждении. Обычно при падении температуры электрическое сопротивление чистых металлов снижается, так как электроны начинают течь свободнее, однако добавление даже нескольких магнитных атомов полностью меняет процесс: ниже определенной температурной отметки сопротивление внезапно начинает резко расти.
Причиной этой аномалии является поведение свободных электронов в металле. Они начинают образовывать плотные облака (рои) вокруг магнитных примесей, пытаясь полностью нейтрализовать их магнетизм, и тем самым блокируют электрический ток.
До сих пор физики не могли точно рассчитать момент этого температурного разворота, так как хаотичное квантовое взаимодействие миллиардов частиц превышало мощности даже самых передовых суперкомпьютеров. Чтобы обойти это препятствие, исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Йельского университета применили фундаментальный метод вычислений «из первых принципов» (ab initio).
Они позаимствовали математические алгоритмы из молекулярной химии и рассчитали поведение одного магнитного атома в металле так, будто он является крупной самостоятельной молекулой. Полученная цифровая модель оказалась в 100 раз точнее всех существующих упрощенных симуляций, что физики успешно подтвердили реальными лабораторными замерами.
В будущем эта технология поможет инженерам разрабатывать стабильные материалы для сверхпроводящих энергосетей нового поколения и квантовых компьютеров. Ученые планируют масштабировать алгоритм, чтобы моделировать высокотемпературные сверхпроводники и квантовые магниты вообще без предварительного сбора практических данных.
Обложка: magnific
