Forskere løser problem med mange elektroner ved at modellere en uendelig kæde af hydrogenatomer

(Phys.org) - For første gang, forskere har bestemt tilstandsligningen for en uendelig kæde af hydrogenatomer, som fortæller mængden af ​​energi hvert brintatom har, givet bindelængden mellem tilstødende atomer.

Men det, der er endnu mere interessant for forskerne end selve resultatet, er, hvordan de opnåede det:ved at bruge 20 eller så state-of-the-art beregningsmetoder, der for nylig er blevet udviklet til at analysere mangeelektronsystemer. De nye resultater giver et første glimt af, hvad disse metoder kan tilbyde til at forstå og forudsige egenskaberne af mange komplekse materialer, og i sidste ende designe helt nye materialer.

Kemikerne og fysikerne bag det nye studie er medlemmer af Simons Collaboration on the Many-Electron Problem, hvis ultimative mål er at finde metoder til at modellere og forstå mange-elektron systemer. Disse er stort set alle systemer, der - som en uendelig kæde af hydrogenatomer - indeholder et stort antal atomer eller molekyler, og, derfor, mange elektroner.

Elektron-elektron-interaktioner spiller en stor rolle i bestemmelsen af ​​et materiales egenskaber, såsom hvor godt den leder elektricitet, og hvor hård eller blød den er. Disse oplysninger er afgørende for fremtidige initiativer, hvor forskere designer nye materialer med specifikke ønskede egenskaber. Selvom det er relativt let at modellere systemer med et par elektroner, efterhånden som antallet af elektroner vokser, antallet af mulige stater, som et system kan indtage, vokser eksponentielt. Modellering af sådanne systemer bliver derefter stadig vanskeligere, da elektroninteraktionseffekterne er så stærke, at selv de bedste uafhængige elektronteorier nedbrydes.

For at modellere mange-elektron systemer, forskere har udviklet flere mange-elektron beregningsmetoder, der er afhængige af avancerede begreber inden for matematik og datalogi, såsom klyngeindlejringsteori, Monte Carlo metoder, og tensornetværk. Men indtil videre, der findes ingen metode, der kan behandle alle mange-elektron-systemer systematisk med høj nøjagtighed og lave beregningsomkostninger.

I den nye undersøgelse, forskerne brugte en lineær kæde af hydrogenatomer som det første benchmark -system til at teste mange af disse nye teoretiske metoder. Ved at anvende cirka 20 af de nyeste metoder til det samme problem, forskerne var i stand til at validere og krydstjekke resultaterne af hver metode. Selvom hele processen var beregningsmæssigt kompleks, det tillod forskerne at kombinere styrkerne ved komplementære metoder og bestemme energien pr. atom til en høj grad af nøjagtighed. De kunne derefter sammenligne nøjagtigheden af ​​individuelle metoder, som afslørede, at mange af de nye metoder opnåede en høj grad af nøjagtighed af sig selv.

"Der er flere aspekter af dette arbejde, "Shiwei Zhang, en fysikprofessor ved College of William and Mary og papirets tilsvarende forfatter, fortalt Phys.org . "Det producerede omfattende data og sammenligninger, som et benchmark -studie var designet til at gøre. Det ansporede også mange algoritmiske udviklinger i de forskellige metoder, som følge af interaktionerne og 'venlig konkurrence'. Måske mindre indlysende, men vigtigst:det bragte mennesker og algoritmer sammen, hjalp med at fokusere feltet, og skubbede samfundet til at arbejde synergistisk på de mest produktive måder. "

Forskerne gør den enorme mængde data, der produceres i denne undersøgelse tilgængelig for andre forskere, som snart vil være tilgængelig her. De forventer, at dataene vil være nyttige til analyse af beregningsmetoderne, benchmarking af nye metoder, studere andre mangeelektronsystemer, og få en dybere forståelse af mange områder i hele kondenseret materiens fysik, kvantekemi, og materialevidenskab, blandt andre felter.

"Et kortsigtet mål er at bestemme brintkædens egenskaber, "Sagde Zhang." Overraskende nok, selv i dette relativt enkle 'materiale, 'der er vigtige spørgsmål, som vi ikke har endelige svar på. Vi har beregnet ligningen for staten. Men, for eksempel, hvad er de elektriske og magnetiske egenskaber?

"Mere generelt, vi vil gerne udvide sådanne benchmark -undersøgelser til mere komplekse materialer. Vi vil fortsætte med at udvikle vores beregningsmetoder og software. Og selvfølgelig vil vi gerne anvende dem til at tackle de mest udfordrende mangeelektronproblemer i molekyler og faste stoffer, der er vigtige for videnskab og teknologi. "

© 2017 Phys.org