2026年9月28日——铜通常是极佳的电导体，但冷却至低温时，磁性杂质会扰乱电子流动，并导致其电阻增加。这种现象被称为近藤效应，其物理原理已被理解数十年，但要在特定材料中准确预测其行为仍然具有挑战性。如今，研究人员正在探究同一效应如何重塑量子材料中电子的运动。

来自耶鲁大学和加州理工学院的研究人员首次利用计算策略，准确预测了真实金属中材料特定的近藤行为。与使用简化模型的以往方法不同，该团队的第一性原理方法利用实际材料的原子和电子结构来描述这一量子问题。

他们的研究成果发表在期刊 Science， 代表着朝着开发用于模拟复杂量子材料（如高温超导体和量子磁体）的高精度量子化学方法迈出的一步。

论文的主要作者是耶鲁大学化学系的 Tianyu Zhu 教授和普林斯顿大学的 Linqing Peng 博士，两人都是在加州理工学院的 Garnet Chan 教授实验室工作期间开始这项研究的。

“我们证明了这种方法能以优于最先进方法的精度模拟一个具有挑战性的量子材料问题，”Zhu 说。“这非常令人兴奋，因为我们可以进一步将这一研究方向引向何处——去模拟更多样、更重要的材料科学问题。”

近藤效应之谜

近藤效应实际上是一个物理学谜题，但其原理相当简单。通常，当金属——比如铜——冷却时，其原子振动减弱，使电子能更自由地流动以导电。然而，当铜被冷却到极低温度时，奇怪的事情可能发生：导电性反而变差。

当铜中存在杂质时就会发生这种情况，比如其中含有少量铁或镍，这些杂质拥有自己的电子。这些电子的行为与铜电子非常不同。当这种块体材料冷却到近藤温度以下时，杂质的磁矩会被周围的传导电子屏蔽，散射随之增强，导致金属电阻上升。

“过去几十年里，计算物理学家和材料科学家一直在测试各种方法，试图定量描述这种存在于许多量子材料中的普适现象，”Zhu 说。“问题在于，我们能否使用计算方法正确描述这一现象，并理解在原子层面或电子层面发生了什么。”

从历史上看，科学家通过缩减材料的电子结构，将问题简化为一个小得多的模型。尽管这样更容易计算，但在此过程中会丢失大量关键信息。

另一种方法

该团队采用第一性原理方法——从材料的原子和电子结构出发，而不是将其缩减为简单的低能模型——对近藤问题进行了计算。他们使用了多年来围绕量子嵌入框架开发的若干计算策略，直接处理真实材料本身。

具体而言，他们将最初为描述分子而设计的量子化学技术应用于铜材料体系。

“这甚至不是一个化学问题。这是一个物理问题，”Zhu 说。“但我们为解决问题而开发和应用的许多计算技术，都改编自高精度量子化学。”

这些技术使团队能够将磁性杂质几乎当作分子来处理，同时保留对其相互作用的详细多体描述。

在这项研究中，他们模拟了嵌入铜中的七种不同过渡金属原子（杂质）。其数值结果成功再现了该系列近藤系统实验测量中的关键趋势，且精度高于标准的基于模型的计算。在此过程中，他们还获得了新的物理见解，解释了为什么特定近藤性质会因杂质不同而不同。

这种开创性的模拟技术代表着朝着理解量子材料重大挑战迈出的一步。随着这扇门打开，Zhu Group 已经在将研究推向新方向。

近藤研究的新前沿

Zhu Group 目前正在开展两个与这些近藤效应发现相关的项目。

第一个项目涉及用于存储和计算设备等应用的先进磁性材料。Zhu 正与耶鲁大学工程学院应用物理系的 Yu He 教授团队合作，研究具有多种竞争磁相的二维磁性材料，这些材料可能与存储和计算技术相关。

在另一项研究中，Zhu 正在应用相关的多体计算方法来理解单原子合金催化。在多相催化中，科学家通常依靠金属表面来催化小分子转化。在这种情况下，一种金属的孤立原子被嵌入另一种金属的表面，形成能够提高催化效率的杂质位点。原始研究中使用的计算策略可以迁移到这项研究中。

“近藤效应方面的工作为未来研究重要材料科学问题提供了非常令人兴奋的机会，”Zhu 说。

该研究的共同作者包括 Huanchen Zhai、Zhi-Hao Cui 和 Runze Chi，以及加州理工学院的资深作者和共同通讯作者 Garnet Kin-Lic Chan。这项研究由美国空军科学研究办公室、美国能源部科学办公室基础能源科学项目以及美国国家科学基金会资助。