この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。
金属は冷やすほど電気を通しやすくなります。原子の熱運動が収まって、電子が邪魔されずに流れるからです。ところが、銅のような金属に鉄やマンガンのような磁性を持つ原子がごく少量混ざっていると、ある温度より下で抵抗が下がりきらず、逆に増え始めます。この現象は近藤効果と呼ばれ、1964年に日本の物理学者・近藤淳が理論的に説明したことから名前がつきました。何が起きているかは分かっている現象ですが、「どの金属にどの原子が混ざると、何度で抵抗が反転するか」を、実験なしに正確に予測することは、60年たってもできていませんでした。カリフォルニア工科大学とイェール大学の研究グループは、それを第一原理の計算だけでやってのけました。論文は2026年7月30日に Science に載り、ScienceAlert が10月22日に取り上げています。
電子の雲が磁石を隠す
磁性原子には対になっていない電子があり、そのスピンが原子を小さな磁石にしています。温度が高いうちは、この磁石の向きは自由に揺らいでいます。温度が下がると、金属の中を流れる電子が原子のスピンと強く相互作用し始め、自分のスピンを反転させて原子の磁気を少しずつ打ち消すようになります。この余分な散乱が電流の邪魔をして、抵抗を増やします。やがて周りの電子が雲のように原子を取り囲み、原子の磁気を完全に覆い隠してしまいます。
仕組みはこれだけなのに、正確に計算するのは難しい問題です。原子1個の振る舞いが、周りの膨大な数の電子がその瞬間に何をしているかに敏感に左右されるので、電子を1個ずつ別々に扱うことも、まとめて平均してしまうこともできません。物理学で「多体問題」と呼ばれる種類の難しさで、近藤効果はその最も基本的な例として、新しい理論や計算手法が通用するかを試す試金石に使われてきました。1970年代には、カリフォルニア工科大学出身の Kenneth Wilson らが一般的な理論の枠組みを作っています。
ただ、これまでの計算は、現実の材料を少数のパラメータで表した簡略化された模型に頼っていました。模型は近藤効果が起きること自体は説明できますが、「この材料ではこの温度」という具体的な数字を精密に出すことはできません。
模型を使わず、本物の原子から計算する
研究グループは、材料の実際の原子配置と電子構造から出発する「第一原理」の計算を選びました。磁性原子とその周囲を、簡略化せずに一つの大きな分子のように扱い、量子化学で発達してきた手法を借りて、電子どうしの相互作用を順を追って計算していきます。計算を繰り返して予測を絞り込み、絶対零度での厳密な電子状態の記述に体系的に近づいていく、という手順です。論文の題名にある「厳密な多体論的な扱いに向けて」は、このことを指しています。
計算の対象にしたのは、周期表で3d 遷移金属と呼ばれる一連の元素を、金属の中に不純物として埋め込んだ、いちばん基本的な組み合わせです。計算で出した近藤温度を実験の値と比べると、元素ごとの微妙な傾向まで一致し、精度は標準的な模型を上回っていました。ScienceAlert によれば、従来の簡略化した模型より100倍正確なケースもあったとのことです。さらに、なぜその傾向が出るのかという微視的な理由も、計算の中から読み取れました。
カリフォルニア工科大学の Garnet Chan は、大学のプレスリリースで、いくつかの複雑な材料については、実験を参照せずに計算だけで性質を予測することがもう可能になった、と話しています。
高温超伝導体への「最初の一歩」
今回扱ったのは、意図的に選んだ最も単純な材料です。Chan 自身が「赤ちゃんの一歩」「試作問題」と呼んでいるとおり、目標はもっと先にあります。高温超伝導体や量子磁性体のように、電子どうしの相関が強くて振る舞いが複雑な材料は、送電網や大規模な計算機を変える可能性を持つ一方で、まさにその複雑さのせいで計算による予測が難しいままでした。今回の方法が通用すると分かったことで、研究グループは対象を少しずつ複雑な材料へ広げていけます。
論文の筆頭著者の一人である Linqing Peng は、実在の材料の化学的な複雑さをそのまま忠実に記述する量子的な予測が、手の届くところに来つつある時代だと話しています。実験で測ってから理屈を合わせるのではなく、計算が先に数字を出し、実験がそれを確かめる。近藤効果という60年来の試金石で、その順番が一度ひっくり返ったことになります。
関連する商品
この記事に関連する本や商品は、Amazon で探せます。
上のリンクから購入されると、このブログに紹介料が入ることがあります。
出典
- Tianyu Zhu, Linqing Peng, Huanchen Zhai, Zhi-Hao Cui et al., “Toward an exact quantum many-body treatment of Kondo correlation in magnetic impurities”, Science 393(6810): 522–526（2026年7月30日）：https://doi.org/10.1126/science.adq7402
- Caltech “Chemical Physicists Quantitatively Model Electron Interactions in Real Quantum Materials”：https://thisis.caltech.edu/news/chemical-physicists-quantitatively-model-electron-interactions-in-real-quantum-materials
- ScienceAlert “Scientists Just Cracked a Quantum Mystery That’s Puzzled Physicists For Decades”（2026年10月22日、David Nield）：https://www.sciencealert.com/scientists-just-cracked-a-quantum-mystery-thats-puzzled-physicists-for-decades
コメント