Tech / Nauka
Tomasz Wiśniewski
Redaktor technologiczny. Interesuje się sztuczną inteligencją, startupami i nowymi mediami, a także odkryciami naukowymi. Wielbiciel science fiction i gier planszowych.
Przez dziesięciolecia fizycy mogli opisywać efekt Kondo tylko w przybliżeniu, opierając się na uproszczonych modelach teoretycznych. Naukowcy z Caltech i Yale University opracowali metodę, która pozwala precyzyjnie obliczyć to zjawisko dla konkretnych, rzeczywistych materiałów. Swoje wyniki opisali w pracy opublikowanej w czasopiśmie „Science”.
W wielu materiałach używanych we współczesnej elektronice, w tym w półprzewodnikach takich jak krzem, oddziaływania między elektronami są na tyle słabe, że często można je pominąć przy opisywaniu zachowania materiału. Inaczej jest w materiałach silnie skorelowanych, ważnych dla wielu proponowanych technologii kwantowych - tam zrozumienie wzajemnego wpływu i rozpraszania elektronów jest kluczowe.
Efekt Kondo obserwuje się w jednym z najprostszych układów silnie skorelowanych. Zachodzi, gdy pojedynczy atom magnetyczny, na przykład żelaza albo manganu, zostanie wprowadzony jako zanieczyszczenie do metalu takiego jak miedź. Gdy materiał zostanie ochłodzony poniżej określonej temperatury, zwanej temperaturą Kondo, jego zachowanie elektryczne zmienia się w nietypowy sposób.
Zwykle chłodzenie metalu sprawia, że jego opór elektryczny systematycznie maleje, dzięki czemu prąd płynie łatwiej. W metalu zawierającym magnetyczne zanieczyszczenie opór przestaje jednak spadać po osiągnięciu temperatury Kondo - osiąga minimum, a potem znowu zaczyna rosnąć w miarę dalszego obniżania temperatury.
„To sygnatura efektu Kondo” - wyjaśnia Garnet Chan z Caltech. Zjawisko wynika z oddziaływania elektronów zanieczyszczenia z elektronami płynącymi przez metal. Magnetyczne zanieczyszczenie zawiera niesparowane elektrony, których spin nadaje atomowi magnetyzm. W wyższych temperaturach kierunek tego magnetyzmu, znany jako moment magnetyczny atomu, może swobodnie się zmieniać. W miarę chłodzenia elektrony z otoczenia zaczynają silnie oddziaływać ze spinem zanieczyszczenia i mogą odwracać własne spiny tak, że częściowo znoszą moment magnetyczny wbudowanego atomu. Dodatkowe rozpraszanie odpowiada za charakterystyczne zachowanie oporu - im więcej elektronów uczestniczy w procesie, tym skuteczniej otaczają one zanieczyszczenie i ukrywają jego magnetyzm.
Ogólny obraz teoretyczny tego efektu fizycy opracowali w latach 70. XX wieku, między innymi Kenneth Wilson. Zjawisko stało się klasycznym przykładem problemu wielociałowego, ponieważ wymaga opisania ogromnej liczby oddziałujących cząstek, których zachowania nie można zrozumieć, analizując je pojedynczo.
Nowe podejście korzysta wprost z rzeczywistej struktury atomowej i elektronowej materiału. Autorami pracy są Linqing Peng i Tianyu Zhu z Yale University. Projekt powstał w laboratorium Garneta Chana, profesora chemii i dyrektora Rudolph A. Marcus Center for Theoretical Chemistry w Caltech. Chan, starszy autor publikacji, podkreśla, że można teraz przewidywać właściwości niektórych skomplikowanych materiałów wyłącznie poprzez obliczenia, bez odwoływania się do eksperymentu.
Zdaniem Chana zbadane dotąd materiały to dopiero mały krok w drodze do bardziej złożonych zjawisk, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe i magnesy kwantowe. Nowe podejście może pomóc w realistycznych symulacjach komputerowych coraz bardziej skomplikowanych materiałów kwantowych.