2026年8月24日——来自加州理工学院和耶鲁大学的科学家团队首次展示了如何针对特定真实材料精确量化金属中的一种重要量子现象——近藤效应。与过去几十年依赖简化模型定性描述该效应的研究方法不同，这项新工作直接利用材料的实际原子结构和电子结构来解决问题。

这项工作代表了向模拟高温超导体等重要量子材料迈出的一步；在这些材料中，单个电子的运动对其他电子任何时刻的行为都非常敏感，以至于无法将它们平均化处理。

研究团队在7月30日出版的《科学》杂志上的一篇论文中描述了这项新技术和结果。论文的主要作者是耶鲁大学的Tianyu Zhu和Linqing Peng（2025届博士）。两人都是在加州理工学院的Garnet Chan实验室开始这个项目的，Chan是该校Bren化学教授、Rudolph A. Marcus理论化学中心主任。

论文资深作者、西蒙斯物理学研究员Chan表示：“现在，我们有可能完全通过计算而不借助实验来预测某些复杂材料的性质。我们研究的首批材料只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——一个多体问题

对于许多用于计算的材料，包括硅等半导体，电子之间的相互作用非常微弱，在理解整体行为方面可以忽略不计。但要进一步了解量子应用所需的所谓强关联材料，弄清电子如何相互作用和相互散射至关重要。

近藤效应出现在这种强关联材料最简单的实例中：单个磁性原子（如铁或锰）作为杂质嵌入金属（如铜）的情况。当这种块体材料被冷却到某一温度（即近藤温度）以下时，奇怪的事情发生了。普通金属冷却时，其电阻会稳步下降，使材料在越来越低的温度下成为更好的导体。当带有磁性杂质的金属达到近藤温度时，其电阻会达到最小值，然后反而升高。

Chan解释说：“这就是近藤效应的特征，其根源在于杂质中的电子与穿过块体金属的电子发生相互作用。”

20世纪70年代的物理学家（其中重要的是校友Kenneth Wilson，1961届博士）建立了关于近藤效应的一般物理学的理论理解。这是物理学家所称的多体问题的典型例子，因为它涉及描述一个由大量粒子——此处为金属中的电子——以复杂方式相互作用组成的系统的行为，这使得通过独立考察每个粒子的行为来求解变得不可能。在这种情况下，磁性原子拥有未配对电子，这些电子的自旋赋予了原子磁性。在较高温度下，这种磁性的矢量，即原子的磁矩，会自由波动。但随着温度下降，金属中的电子开始与原子自旋强烈相互作用，甚至能通过翻转自身的自旋来抵消原子的一部分磁矩。这种额外的散射相互作用导致与近藤效应相关的电阻先趋于平稳、后升高的特征。最终，当整个电子云都参与进来时，原子磁性被完全掩盖。

金属中包裹原子的电子会集体排列成一个电子云，对原子磁性进行“屏蔽”，也就是将其抵消。

定量解决该问题

近藤效应是量子多体物理学中研究最深入的问题之一，部分原因是它表述起来相对简单。它某种程度上被用作一个基准，新的理论和计算方法必须证明能够逼近该基准，才能为人们所接受。但直到现在，才得以精确确定真实材料中特定杂质电阻下降然后回升的具体方式，或者这种转变发生的精确温度。

以往的方法是通过将材料的电子结构简化为少数几个轨道——即原子核周围最可能出现电子的空间——然后对这个简化后的系统应用近似数学模型，从而简化了问题。

Chan及其团队采用了不同的方法。他们使用了量子化学领域中为精确描述分子而开发的技术，并将其应用于这种材料环境。这使他们能够像描述分子一样完整地描述磁性原子杂质，而无需简化其相互作用。

在这篇论文中，研究人员提供了嵌入铜中的七种不同过渡金属原子的结果。对于大多数元素，新方法的预测精度比基于模型的计算高出多达两个数量级。

“我们正处在一个激动人心的时代，对真实材料完整化学复杂性的忠实预测性量子描述正变得触手可及。”Peng说，“即使在一些最具挑战性的量子材料类别中，从第一性原理预测关联电子的材料特定行为也正成为现实。

“这是朝着通过计算设计材料迈出的重要一步，这类材料的功能源于复杂的关联物理，例如高温超导，其中巨大的化学空间和众多相之间的竞争需要预测性理论来帮助聚焦对新材料的实验探索。”她补充道，“我很期待看到这一理论未来将带来什么样的新材料突破。”