这项进展可能有助于为更复杂的量子材料（包括高温超导体）的真实计算机模拟铺平道路。在这些材料中，任何一个电子的行为都受到附近电子行为的强烈影响，使得该系统难以用传统近似方法来描述。
研究人员在发表于《科学》（Science）杂志的一篇论文中报告了他们的方法和发现。主要作者是Linqing Peng（25届博士）和耶鲁大学的Tianyu Zhu。Peng和Zhu都是在加州理工学院（Caltech）Bren讲席教授兼Rudolph A. Marcus理论化学中心主任Garnet Chan的实验室开始开展该项目的。
“现在，纯粹通过计算而不依赖实验来预测某些复杂材料的特性已经成为可能，”Chan说道，他是这篇论文的资深作者，也是西蒙斯物理学研究员（Simons Investigator in Physics）。“我们研究的这些首批材料就像是迈向高温超导体和量子磁体等更复杂现象的一小步，或者说是一个原型问题。”
近藤效应——经典的多体挑战
在现代电子学使用的许多材料中（包括硅等半导体），电子之间的相互作用非常微弱，以至于在描述材料的整体行为时通常可以忽略不计。但对于强关联材料而言，情况并非如此，而强关联材料对许多拟议的量子技术至关重要。在这些系统中，理解电子如何相互影响和散射是必不可少的。
近藤效应出现在强关联系统最简单的例子之一中。当单个磁性原子（如铁或锰）作为杂质置于铜等金属内部时，就会发生这种现象。当材料被冷却到特定温度（称为近藤温度）以下时，其电学行为会发生异常变化。
通常情况下，冷却金属会使其电阻稳步下降，从而让电流更容易通过。但在含有磁性杂质的金属中，当达到近藤温度时，电阻停止下降。它达到一个极小值，然后随着温度继续降低开始再次上升。
“这就是近藤效应的标志，它是杂质中的电子与穿过块体金属的电子相互作用的一种特性，”Chan解释道。
物理学家在20世纪70年代提出了近藤效应的总体理论图景（其中包括重要的校友Kenneth Wilson，61届博士）。该现象成为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——在此例中为金属中的电子——其行为无法通过一次处理一个粒子来简单理解。
磁性杂质包含未配对的电子，这些电子的自旋赋予了原子磁性。在较高温度下，这种磁性的方向（即原子的磁矩）可以自由涨落。然而，随着材料冷却，在周围金属中移动的电子开始与杂质的自旋发生强烈的相互作用。
这些电子可以翻转自身的自旋，从而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特有的平缓现象以及最终的电阻增加。随着越来越多的电子参与进来，它们集体包围杂质并最终掩盖了其磁性。
实际上，周围的电子形成了一团云，将原子的磁性“屏蔽”或抵消掉。
超越简化的量子模型
近藤效应已被广泛研究，因为尽管其底层物理学很复杂，但基本问题描述起来相对简单。因此，它已成为测试新理论和计算技术的重要基准。
然而，直到现在，研究人员还无法可靠地准确计算出真实材料的电阻是如何下降然后再次上升的，也无法确定对于特定杂质发生这种变化的精确温度。
传统方法通过将材料的电子结构简化为一小组轨道（即原子核周围最有可能找到电子的空间），然后使用近似的数学模型来描述这个较小的系统。
Chan及其同事选择了一种不同的策略。他们调整了最初在量子化学中开发的用于描述分子的高精度计算工具，并将其应用于量子材料。这使得研究人员能够将磁性杂质几乎像分子一样来表示，同时保留了其电子相互作用的全部复杂性。
对真实材料做出更准确的预测
研究人员在嵌入铜中的七种不同过渡金属原子上测试了他们的方法。在他们检查的大多数元素中，计算结果比基于传统模型的技术获得的预测准确了多达两个数量级。
“我们正处于一个激动人心的时代，在这个时代，对真实材料完整化学复杂性进行忠实的预测性量子描述正变得触手可及，”Peng说。“从第一性原理出发预测关联电子的材料特定行为正变得切实可行，即使是在一些最具挑战性的量子材料类别中也是如此。”
“这是朝着通过计算设计材料迈出的重要一步，这些材料的功能源于复杂的关联物理，例如高温超导，在这些材料中，庞大的化学空间和许多相之间的竞争需要预测性理论来帮助聚焦于新材料的实验搜索，”她补充道。“我很高兴看到这一理论在未来将带来哪些新的材料突破。”
这篇题为《迈向磁性杂质中近藤关联的精确量子多体处理》（Toward an exact quantum many-body treatment of Kondo correlation in magnetic impurities）的论文，其加州理工学院的其他作者还包括前博士后Huanchen Zhai、现任博士后Runze Chi，以及以研究生身份完成这项工作的Zhi-Hao Cui（23届博士）。
该研究获得了美国空军科学研究办公室通过多学科大学研究倡议项目、美国能源部及其分子磁性量子材料中心，以及美国国家科学基金会的支持。