北京
你有没有想过，一块金属里塞进一个磁性原子，它的电阻会先降后升？这个现象叫近藤效应，物理学家研究了几十年，却一直没法对真实材料做出精确计算。最近，加州理工学院和耶鲁大学的科学家找到了新办法。
这项研究发表在《科学》杂志上。第一作者是Linqing Peng（25届博士）和耶鲁大学的Tianyu Zhu，两人都在加州理工学院Garnet Chan的实验室里开始了这个项目。Chan是化学系Bren教授，也是Rudolph A. Marcus理论化学中心主任，同时是论文的资深作者。
Chan说：“现在可以纯粹通过计算来预测某些复杂材料的性质，而不需要参考实验。我们研究的这些第一批材料，就像婴儿学步，或者说是一个原型问题，指向更复杂的现象，比如高温超导体和量子磁体。”
近藤效应到底怪在哪
现代电子器件里用的很多材料，比如硅这样的半导体，电子之间的相互作用弱到可以忽略不计。但强关联材料不一样，电子之间怎么相互影响、怎么散射，是理解材料行为的关键。
近藤效应就出现在最简单的强关联系统里。把一个磁性原子，比如铁或锰，作为杂质放进铜这样的金属里。当材料冷却到某个温度以下——这个温度叫近藤温度——它的电学行为就变得不寻常了。
通常情况下，冷却金属会让电阻稳步下降，电流更容易通过。但在含有磁性杂质的金属里，温度降到近藤温度时，电阻不再下降。它先达到一个最小值，然后随着温度继续降低，电阻反而开始上升。
Chan解释说：“这就是近藤效应的标志，它是杂质中的电子与在块体金属中运动的电子相互作用的结果。”
电子云如何“屏蔽”磁性
物理学家在20世纪70年代就建立了近藤效应的一般理论图景，其中重要的一位是校友Kenneth Wilson（61届博士）。这个现象成了多体问题的经典例子，因为它需要描述大量相互作用的粒子——在这里就是金属中的电子——它们的行为没法简单地一个一个分开来理解。
磁性杂质里有未配对的电子，它们的自旋让原子有了磁性。在较高温度下，这个磁性的方向，也就是原子的磁矩，可以自由涨落。但随着材料冷却，周围金属中运动的电子开始与杂质的自旋强烈相互作用。
这些电子可以翻转自己的自旋，部分抵消嵌入原子的磁矩。这些相互作用产生的额外散射，导致了电阻那种特征性的先变平、后上升。随着越来越多的电子参与进来，它们集体包围了杂质，最终把它的磁性隐藏起来。
实际上，周围的电子形成了一团云，把原子的磁性“屏蔽”或抵消掉了。
从简化模型到真实材料
近藤效应被广泛研究，因为虽然它背后的物理很复杂，但基本问题描述起来相对直接。它因此成了测试新理论和计算技术的重要基准。
但直到现在，研究人员还不能可靠地计算真实材料的电阻到底如何先降后升，也没法确定特定杂质发生这种变化的确切温度。
传统方法会简化材料的电子结构，把它缩减成一小套轨道——轨道是原子核周围电子最可能出现的位置——然后用一个近似的数学模型来描述这个更小的系统。
Chan和同事选了另一条路。他们改造了原本在量子化学中用来描述分子的高精度计算工具，把它们应用到量子材料上。这让研究人员可以把磁性杂质几乎当成分子来处理，同时保留其电子相互作用的全部复杂性。
铜里的七种过渡金属原子
研究人员在铜中嵌入了七种不同的过渡金属原子来测试他们的方法。对于他们检查的大多数元素，计算结果的准确度提升了多达两个数量级。
这项进展可能为更复杂量子材料的现实计算机模拟铺平道路，包括高温超导体。在这类材料中，任何一个电子的行为都强烈受到附近电子行为的影响，这让系统很难用传统近似方法来描述。
Chan把目前研究的材料比作“婴儿学步”或“原型问题”。这意味着，从能算准一个磁性杂质在铜里的行为，到能模拟高温超导体，中间还有很长的路。但至少，第一步已经迈出去了——不再依赖简化模型，而是从材料真实的原子和电子结构出发。
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