Les chercheurs du Caltech et de Yale développent une méthode pour prédire l'effet Kondo dans les matériaux réels

Des scientifiques de l'Institut de technologie de Californie (Caltech) et de l'Université Yale ont développé une nouvelle méthode de calcul pour déterminer avec précision l'effet Kondo dans des matériaux réels spécifiques. La recherche, publiée dans la revue Science, s'éloigne des modèles théoriques simplifiés pour utiliser les structures atomiques et électroniques réelles des matériaux, permettant des prédictions plus précises de leur comportement.

L'effet Kondo et les défis à plusieurs corps

L'effet Kondo est un phénomène quantique qui se produit lorsqu'un atome magnétique unique, tel que le fer ou le manganèse, est intégré en tant qu'impureté à l'intérieur d'un métal comme le cuivre. Dans les métaux ordinaires, la résistance électrique diminue régulièrement à mesure que le matériau se refroidit. Cependant, dans les métaux contenant des impuretés magnétiques, la résistance cesse de diminuer lorsque le matériau atteint un seuil spécifique connu sous le nom de température de Kondo. À ce stade, la résistance atteint un minimum puis commence à augmenter à nouveau à mesure que la température continue de baisser.

Ce comportement résulte de l'interaction entre les électrons de l'impureté magnétique et les électrons se déplaçant à travers le métal massif. À mesure que le matériau se refroidit, les électrons du métal interagissent fortement avec le spin de l'impureté, formant un nuage qui écranter, ou annule, le magnétisme de l'atome. Parce que ce processus implique un grand nombre de particules en interaction, l'effet Kondo est considéré comme un problème quantique classique à plusieurs corps.

Aller au-delà des modèles simplifiés

Pendant des décennies, les chercheurs se sont fiés à des modèles simplifiés qui réduisaient la structure électronique des matériaux à un petit ensemble d'orbitales et utilisaient des modèles mathématiques approximatifs. Ces approches ne pouvaient pas calculer de manière fiable la température précise à laquelle la résistance change pour une impureté spécifique ni prédire le comportement exact des matériaux réels.

La nouvelle méthode adapte des outils de calcul hautement précis développés à l'origine en chimie quantique pour décrire les molécules. En appliquant ces outils aux matériaux quantiques, les chercheurs ont pu représenter les impuretés magnétiques presque comme s'il s'agissait de molécules tout en conservant toute la complexité de leurs interactions électroniques.

Précision et applications futures

L'équipe de recherche a testé leur méthode sur sept atomes différents de métaux de transition intégrés dans du cuivre. Selon l'étude, les calculs étaient jusqu'à deux ordres de grandeur plus précis que les prédictions obtenues à partir de techniques conventionnelles basées sur des modèles pour la plupart des éléments examinés.

Garnet Chan, professeur de chimie Bren au Caltech et auteur principal de l'article, a déclaré : « Il est désormais possible de prédire les propriétés de certains matériaux compliqués purement par le calcul sans se référer à l'expérience. »

Linqing Peng, auteur principal de l'article, a souligné l'importance de cette avancée pour la conception future des matériaux. « Nous sommes dans une époque passionnante où des descriptions quantiques fidèles de la complexité chimique complète des matériaux réels deviennent accessibles », a déclaré Peng. « Il devient réaliste de prédire le comportement spécifique aux matériaux des électrons corrélés à partir des premiers principes, même dans certaines des classes de matériaux quantiques les plus difficiles. »

Pourquoi c'est important

Ce développement offre une voie pour des simulations informatiques réalistes de matériaux quantiques plus compliqués, y compris les supraconducteurs à haute température et les aimants quantiques. Dans ces systèmes, le comportement des électrons est fortement influencé par leurs interactions avec les électrons voisins, ce qui les rend difficiles à décrire avec des approximations conventionnelles. En permettant à la théorie prédictive de concentrer la recherche expérimentale de nouveaux matériaux, cette méthode pourrait accélérer la découverte de matériaux dont les fonctions émergent de la physique corrélée complexe.

Sources (en anglais)

• sciencedaily.com: A famous quantum effect can finally be predicted in real materials | ScienceDaily
• ua.news: Method to calculate the Kondo effect in real materials — ScienceDaily | UA.NEWS

Traduction réalisée par IA de l’article original en anglais, vérifiée automatiquement pour dire la même chose que l’original. Les sources ont été vérifiées en anglais.