Kondo efekat prvi put precizno izračunat bez laboratorijskih eksperimenata

Tim fizičara s Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech) i Univerziteta Yale u SAD-u uspio je ono što do sada niko nije: Kondo efekat, jednu od ključnih pojava u kvantnoj fizici, precizno je izračunao u stvarnom materijalu isključivo na osnovu fundamentalnih fizičkih proračuna, bez oslanjanja na eksperimente. Rad je objavljen u časopisu Science.

Šta je Kondo efekat

Metali se pri hlađenju u pravilu ponašaju predvidljivo: što je temperatura niža, to bolje provode struju, jer elektroni uz manje energije teku glatkije. Slika se, međutim, mijenja čim se u metalu nađe magnetni atom. Ispod određene temperature, poznate kao Kondo temperatura, električni otpor umjesto da pada ponovo počinje rasti.

Uzrok je naučnicima odavno poznat. Elektroni se okupljaju oko magnetnih primjesa u metalu, poništavaju njihov magnetizam i istovremeno ometaju protok struje. Kako objašnjava fizičar Garnet Chan s Caltecha, riječ je o svojstvu koje proizlazi iz interakcije elektrona u primjesi s elektronima koji putuju kroz ostatak metala.

Problem nije bio u razumijevanju, nego u modeliranju. Interakcije elektrona u ovom takozvanom problemu više tijela toliko su složene da je teško predvidjeti kada će se otpor preokrenuti za različite kombinacije metala i magnetnih primjesa. Temperatura, spin elektrona i magnetizam prepliću se na izuzetno malim skalama, što nadilazi mogućnosti i najmoćnijih superkompjutera. Zato su se naučnici dosad morali oslanjati na laboratorijska mjerenja i pojednostavljene modele, čija preciznost nije bila na nivou nove metode.

Pristup "iz prvih principa"

Istraživači su problemu prišli metodom ab initio, odnosno iz prvih principa. Posudili su tehnike iz hemije kako bi jedan magnetni atom modelirali u potpunosti, bez pojednostavljenja, tretirajući ga kao da je veća molekula. Uz matematičke prečice i mnogo kompjuterskog vremena, na tako modelirani atom primijenili su osnovne zakone kvantne fizike, ponavljajući proračune iznova dok nisu suzili predviđanja.

Rezultate su zatim uporedili s laboratorijskim mjerenjima Kondo efekta i tako dokazali visoku tačnost svog sistema. U nekim slučajevima novi pristup bio je stotinu puta precizniji od postojećih pojednostavljenih modela.

"Sada je moguće predvidjeti svojstva nekih složenih materijala čisto putem računanja, bez pozivanja na eksperimente", kaže Chan.

Prvi korak prema superprovodnicima

Za ovu studiju odabrane su najjednostavnije kombinacije metala i magnetnih atoma, ali metoda otvara put ka proučavanju sve složenijih materijala. Chan ove prve materijale opisuje kao "mali korak", odnosno prototipski problem na putu prema složenijim pojavama poput visokotemperaturnih superprovodnika i kvantnih magneta.

Pouzdanije metode predviđanja omogućile bi naučnicima da s više sigurnosti razvijaju i istražuju materijale kao što su superprovodnici, koji obećavaju preobrazbu elektroenergetskih mreža i računarstva velikih razmjera. Upravo materijali s najvećim potencijalom imaju i najsloženije ponašanje elektrona, a tu bi metode iz ove studije mogle biti od koristi.

Posla još ima, ali sada kada je pristup dokazan, istraživači ga mogu početi proširivati, čime naučnici dobijaju alat za proučavanje složenih kvantnih materijala bez prethodnog prikupljanja laboratorijskih podataka.

Hemičarka Linqing Peng s Caltecha ocjenjuje da se nalazimo u uzbudljivom razdoblju u kojem vjerni prediktivni kvantni opisi pune hemijske složenosti stvarnih materijala postaju dostižni. Prema njenim riječima, postaje realno predviđati ponašanje koreliranih elektrona u konkretnim materijalima iz prvih principa, čak i u nekim od najzahtjevnijih klasa kvantnih materijala.