محققان دانشگاه کالتک و ییل روشی برای محاسبه دقیق اثر کندو در مواد واقعی خاص ایجاد کرده‌اند، کاری که قبلاً امکان‌پذیر نبود. دهه‌هاست که محققان عمدتاً به مدل‌های ساده‌شده متکی بوده‌اند که فقط به طور تقریبی این پدیده را به تصویر می‌کشند. رویکرد جدید به جای آن، مستقیماً از ساختار اتمی و الکترونی واقعی یک ماده کار می‌کند.
این پیشرفت می‌تواند راه را برای شبیه‌سازی‌های کامپیوتری واقع‌بینانه از مواد کوانتومی پیچیده‌تر، از جمله ابررساناهای دمای بالا، هموار کند. در این مواد، رفتار هر الکترون به شدت تحت تأثیر نحوه عملکرد الکترون‌های مجاور قرار دارد و توصیف سیستم را با تقریب‌های معمولی دشوار می‌کند.
محققان روش و یافته‌های خود را در مقاله‌ای در Science منتشر کرده‌اند. نویسندگان اصلی لینکینگ پنگ (فارغ‌التحصیل 25) و تیانیو ژو از دانشگاه ییل هستند. هر دو پنگ و ژو کار بر روی این پروژه را در آزمایشگاه گارنت چان، استاد شیمی برن و مدیر مرکز تئوری شیمی رادلف آ. مارکوس در کالتک آغاز کردند.
چان می‌گوید: «اکنون می‌توان ویژگی‌های برخی از مواد پیچیده را صرفاً از طریق محاسبات، بدون مراجعه به آزمایش، پیش‌بینی کرد.» «این مواد اولیه‌ای که ما مطالعه کرده‌ایم مانند یک گام اولیه یا یک مسئله نمونه در طول مسیر پدیده‌های پیچیده‌تر مانند ابررساناهای دمای بالا و آهنرباهای کوانتومی هستند.»
اثر کندو - یک چالش کلاسیک چندبدنی
در بسیاری از موادی که در الکترونیک مدرن استفاده می‌شوند، از جمله نیمه‌رساناها مانند سیلیکون، تعامل بین الکترون‌ها به اندازه‌ای ضعیف است که اغلب می‌توان آن‌ها را هنگام توصیف رفتار کلی ماده نادیده گرفت. این در مورد مواد با همبستگی قوی صادق نیست، که برای بسیاری از فناوری‌های کوانتومی پیشنهادی مهم هستند. در آن سیستم‌ها، درک نحوه تأثیر و پراکندگی الکترون‌ها از یکدیگر ضروری است.
اثر کندو در یکی از ساده‌ترین نمونه‌های یک سیستم با همبستگی قوی ظاهر می‌شود. این زمانی اتفاق می‌افتد که یک اتم مغناطیسی منفرد، مانند آهن یا منگنز، به عنوان یک ناخالصی در داخل یک فلز مانند مس قرار گیرد. هنگامی که ماده زیر دمای خاصی (که به عنوان دمای کندو شناخته می‌شود) سرد می‌شود، رفتار الکتریکی آن به طور غیرعادی تغییر می‌کند.
به طور معمول، سرد کردن یک فلز باعث کاهش مداوم مقاومت الکتریکی آن می‌شود و به جریان اجازه می‌دهد تا راحت‌تر جریان یابد. اما در یک فلز حاوی یک ناخالصی مغناطیسی، مقاومت هنگام رسیدن به دمای کندو از کاهش خود متوقف می‌شود. به حداقل می‌رسد و سپس با ادامه کاهش دما دوباره شروع به افزایش می‌کند.
چان توضیح می‌دهد: «این امضای اثر کندو است و ویژگی الکترون‌های ناخالصی است که با الکترون‌های عبوری در فلز تعامل دارند.»
فیزیکدانان تصویر نظری کلی اثر کندو را در دهه 1970 توسعه دادند (از جمله، به طور مهم، فارغ‌التحصیل کنت ویلسون، دکترای 61). این پدیده به یک مثال کلاسیک از یک مسئله چندبدنی تبدیل شد زیرا توصیف تعداد زیادی از ذرات متفاعل - در این مورد، الکترون‌ها در فلز - را می‌طلبد که نمی‌توان رفتار آن‌ها را به سادگی با رفتار جداگانه در نظر گرفت.
ناخالصی مغناطیسی حاوی الکترون‌های جفت‌نشده است که اسپین آن‌ها مغناطیس اتم را می‌دهد. در دماهای بالاتر، جهت آن مغناطیس، که به عنوان گشتاور مغناطیسی اتم شناخته می‌شود، می‌تواند آزادانه نوسان کند. با این حال، هنگامی که ماده سرد می‌شود، الکترون‌های متحرک در فلز اطراف شروع به تعامل قوی با اسپین ناخالصی می‌کنند.
این الکترون‌ها می‌توانند اسپین‌های خود را به گونه‌ای بچرخانند که تا حدی گشتاور مغناطیسی اتم جاسازی‌شده را خنثی کنند. پراکندگی اضافی ناشی از این تعاملات مسئول صاف شدن و افزایش نهایی مقاومت الکتریکی است. با شرکت بیشتر و بیشتر الکترون‌ها، آن‌ها به طور جمعی در اطراف ناخالصی جمع می‌شوند و در نهایت مغناطیس آن را پنهان می‌کنند.
در واقع، الکترون‌های اطراف ابری را تشکیل می‌دهند که مغناطیس اتم را «محافظت» یا خنثی می‌کند.
حرکت فراتر از مدل‌های کوانتومی ساده‌شده
اثر کندو به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است زیرا، اگرچه فیزیک زیربنایی آن پیچیده است، اما مسئله اساسی نسبتاً ساده برای توصیف است. بنابراین، به یک معیار مهم برای آزمایش تکنیک‌های نظری و محاسباتی جدید تبدیل شده است.
با این حال، تا به امروز، محققان قادر به محاسبه دقیق نحوه کاهش و سپس افزایش مقاومت یک ماده واقعی یا تعیین دمای دقیق تغییر برای یک ناخالصی خاص نبوده‌اند.
رویکردهای سنتی ساختار الکترونی یک ماده را با کاهش آن به مجموعه کوچکی از اوربیتال‌ها - فضاهایی در اطراف هسته اتم که در آن الکترون‌ها به احتمال زیاد یافت می‌شوند - ساده می‌کنند و سپس از یک مدل ریاضی تقریبی برای توصیف سیستم کوچکتر استفاده می‌کنند.
چان و همکارانش استراتژی متفاوتی را انتخاب کردند. آن‌ها ابزارهای محاسباتی بسیار دقیقی را که در ابتدا در شیمی کوانتومی برای توصیف مولکول‌ها توسعه یافته بودند، تطبیق دادند و آن‌ها را به مواد کوانتومی اعمال کردند. این به محققان اجازه داد تا ناخالصی‌های مغناطیسی را تقریباً مانند مولکول‌ها نشان دهند، در حالی که پیچیدگی کامل تعاملات الکترونی آن‌ها را حفظ کنند.
پیش‌بینی‌های بسیار دقیق‌تر برای مواد واقعی
محققان روش خود را بر روی هفت اتم فلز واسطه مختلف جاسازی‌شده در مس آزمایش کردند. برای بیشتر عناصری که آن‌ها بررسی کردند، محاسبات تا دو مرتبه از نظر دقت بیشتر از پیش‌بینی‌های به دست آمده از تکنیک‌های مبتنی بر مدل معمولی بود.
پنگ می‌گوید: «ما در دوره‌ای هیجان‌انگیز هستیم که توصیف‌های کوانتومی دقیق و قابل اعتماد از پیچیدگی شیمیایی کامل مواد واقعی در دسترس قرار می‌گیرد.» «پیش‌بینی رفتار خاص ماده الکترون‌های با همبستگی از اصول اولیه، حتی در برخی از چالش‌برانگیزترین کلاس‌های مواد کوانتومی، واقع‌بینانه می‌شود.
او اضافه می‌کند: «این یک گام مهم به سوی طراحی محاسباتی مواد است که عملکردهای آن‌ها از فیزیک پیچیده با همبستگی ناشی می‌شود، مانند ابررسانایی دمای بالا، جایی که فضای شیمیایی بزرگ و رقابت بین بسیاری از فازها به نظریه پیش‌بینی‌کننده نیاز دارد تا به تمرکز جستجوی تجربی برای مواد جدید کمک کند. من هیجان‌زده هستم که ببینم این نظریه چه پیشرفت‌های جدیدی در مواد در آینده ایجاد خواهد کرد.»
نویسندگان اضافی کالتک در مقاله «به سوی یک درمان دقیق کوانتومی چندبدنی از همبستگی کندو در ناخالصی‌های مغناطیسی»، هوچن ژای، محقق سابق پسادکتری؛ رونزه چی، محقق فعلی پسادکتری؛ و Zhi-Hao Cui (دکترای 23)، که کار را به عنوان دانشجوی فارغ‌التحصیل به پایان رساند.
تحقیقات با حمایت دفتر تحقیقات نیروی هوایی از طریق برنامه ابتکار عمل تحقیقات چندرشته‌ای دانشگاه و وزارت انرژی ایالات متحده و مرکز آن برای مواد کوانتومی مغناطیسی مولکولی و بنیاد ملی علوم ایالات متحده انجام شد.