Кондо әсерін нақты материалдарда есептеудің жаңа әдісі

Металды салқындатқанда оның электр кедергісі көбіне төмендейді. Бірақ мыс тәрізді металға темір не марганец атомы қоспа болып енсе, кедергі белгілі бір температураға жеткенде төмендеуін тоқтатып, әрі қарай салқындаған сайын қайта өсуі мүмкін. Бұл — Кондо әсерінің белгісі. Калифорния технология институты (Caltech) мен Йель университетінің зерттеушілері осы құбылысты нақты материалдардың атомдық және электрондық құрылымына сүйеніп есептейтін әдіс әзірледі.

Кондо әсері электрондардың өзара әрекетінен туады

Металдағы электр тогын электрондар тасымалдайды. Олар қозғалған кезде бір-бірімен және материалдың атомдарымен әрекеттеседі. Көп материалда электрондардың өзара ықпалы әлсіз болғандықтан, жалпы қасиеттерін есептегенде оны елемеуге болады. Ал өзара ықпалы күшті материалдарда бір электронның қозғалысына көршілес электрондардың күйі әсер етеді. Мұндай жүйені жеке бөлшектердің мінезін қосып қана түсіндіру қиын.

Кондо әсері — осындай күрделі өзара әрекеттің қарапайым мысалдарының бірі. Ол металл ішіндегі жалғыз магниттік қоспа атомына қатысты. Мұндай атомда жұптаспаған электрондар болады, ал олардың спині атомның магниттік қасиетін береді. Жоғары температурада атомның магниттік моменті, яғни магниттік бағыты, еркін құбылып тұра алады.

Металл суығанда, оның ішінде қозғалып жүрген электрондар қоспа атомының спинімен күштірек әрекеттеседі. Кейбір электрондар спинін өзгертіп, атомның магниттік әсерін ішінара бүркемелейді. Электрондардың қоспа маңында шашырауы да артады. Соның нәтижесінде металл кедергісі салқындаған сайын азая бермей, әуелі ең төменгі мәніне жетеді де, кейін қайта өседі.

Кондо температурасынан төмен аймақта электрондар жиынтығы қоспаның магниттік әсерін қоршаған бұлт сияқты бүркемелейді. Бұл көрініс күрделі болғанымен, физиктер оны ондаған жыл бойы теориялық тұрғыдан зерттеп келеді. Кондо әсерінің жалпы теориялық сипаттамасы 1970 жылдары қалыптасты. Алайда теорияны нақты материалға қолданғанда оның нақты кедергісі қалай өзгеретінін және өзгеріс қай температурада басталатынын есептеу қиын болып қалды.

Жаңа әдіс материалдың құрылымын есепке алады

Бұрынғы есептеу тәсілдері материалдың электрондық құрылымын ықшамдап, электрондар жиі кездесетін кеңістіктерді — орбитальдарды — аз санды топқа біріктіретін. Содан кейін сол жеңілдетілген жүйеге жуық математикалық модель қолданылатын. Мұндай әдістер құбылыстың жалпы сипатын түсіндіруге көмектескенімен, белгілі бір материалдағы атомдар мен электрондардың күрделі әрекетін толық көрсете алмауы мүмкін.

Caltech пен Йель тобы басқа жолды таңдады. Олар молекулаларды сипаттау үшін кванттық химияда әзірленген жоғары дәлдікті есептеу құралдарын кванттық материалдарға бейімдеді. Осы тәсіл магниттік қоспаларды молекулаға ұқсас есептеуге мүмкіндік береді, сонымен бірге электрондардың өзара күрделі әрекетін сақтауға бағытталған. Есепке шағындалған теориялық үлгі ғана емес, нақты материалдың атомдық және электрондық құрылымы негіз болады.

Зерттеушілер әдісті мысқа енгізілген ауыспалы металдардың жеті түріне қолданып тексерді. Топтың хабарлауынша, қарастырылған элементтердің басым бөлігінде есептеу нәтижелері дәстүрлі модельдік тәсілдердің болжамдарынан екі реттік шамаға дейін дәлірек болған. Бұл салыстыру жаңа әдістің есептеу болжамдарын жақсартқанын көрсетеді. Алайда материалда әр элементке қатысты нақты қателік мөлшері немесе есептелген температура мәндері берілмеген.

Нәтиже күрделі кванттық материалдарды зерттеуге бастама

Зерттеу туралы мақала Science журналында 2026 жылы жарияланды. Материалда есептеулердің қай күні немесе қай кезеңде жүргізілгені бөлек көрсетілмеген. Жетекші авторлары — Линцин Пэн (PhD дәрежесін 2025 жылы алған) және Йель университетінің Тяньюй Чжуы. Екеуі де жобаны Caltech-тегі Гарнет Чанның зертханасында бастаған. Чан — мақаланың аға авторы, Caltech-тің химия профессоры әрі Рудольф Маркус атындағы теориялық химия орталығының директоры.

Зерттеу адамдарға жүргізілген туршилт емес: ғалымдар мыс ішіндегі жеті түрлі ауыспалы металл атомын компьютерлік есептеулермен зерттеген. Сондықтан бұл жұмыс жаңа құрылғының жасалғанын немесе әдістің барлық материалда бірдей дәл нәтиже беретінін дәлелдемейді. Сынаққа нақты бір металл — мыс және қоспаның жеті түрі ғана кірді. Нәтиже нақты тәжірибелік өлшемдермен қалай салыстырылғаны туралы материалда мәлімет берілмейді; ондағы дәлдік салыстыруы дәстүрлі модельдік есептеулерге қатысты.

Бұл шектеулер әдістің мәнін жоққа шығармайды. Кондо әсері көптеген электронның бір-біріне ықпалын есептеуді қажет ететіндіктен, оны есептеу тәсілдерін сынайтын үлгілік мәселе ретінде қолдануға болады. Егер жаңа әдіс осындай нақты жүйеде сенімді болжам жасай алса, оны күрделірек материалдарды зерттеуге бейімдеп көруге негіз бар.

Зерттеушілердің келесі мақсаты — жоғары температуралы асқынөткізгіштер мен кванттық магнетиктер секілді материалдарды түсінуге көмектесу. Бірақ осы жұмыс асқынөткізгіштіктің себебін ашқан жоқ және жаңа материалдың қасиетін алдын ала дәлелдеген жоқ. Ол — соған қарай жасалған бастапқы қадам. Әдіс болашақта материалдардың қасиетін компьютерде болжауға, ал тәжірибеде тексеруге тұрарлық нұсқаларды іріктеуге көмектесуі мүмкін. Қазірше оның көрсеткені — кванттық химиядан алынған есептеу құралдарын кейбір нақты кванттық материалдарға қолдануға болатыны.

Тақырып бойынша оқыңыз

• Жалғыздық пен әлеуметтік оқшаулану дені сау жылдарды қысқартуы мүмкін
• NASA Айда үңгір, мұз және қауіп-қатерді зерттейтін үш миссияны таңдады
• Тәжірибелік TCIP3 қосылысы тышқандағы лимфома ісігін 11 күнде жойды