Ny beregningsmæssig tilgang lancerer nyt paradigme inden for elektronisk strukturteori

En gruppe forskere fra Michigan State University (MSU) med speciale i kvanteberegninger har foreslået en radikalt ny beregningsmetode til løsning af den komplekse Schrödinger-ligning med mange partikler, der er nøglen til at forklare elektroners bevægelse i atomer og molekyler.

Ved at forstå detaljerne i dette forslag, man kan bestemme mængden af ​​energi, der er nødvendig for at omdanne reaktanter til produkter i en kemisk reaktion, eller lysets farve absorberet af et molekyle, og i sidste ende fremskynde designet af nye lægemidler og materialer, bedre katalysatorer og mere effektive energikilder.

Arbejdet, ledet af Piotr Piecuch, en fremtrædende universitetsprofessor i MSU Institut for Kemi og en adjungeret professor i Institut for Fysik og Astronomi i Naturvidenskabelige Højskole, blev offentliggjort i 1. december -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve . Også involveret i arbejdet er fjerdeårsstuderende J. Emiliano Deustua og senior postdoktor Jun Shen. Gruppen giver detaljer om en ny måde at opnå meget præcise elektroniske energier ved at fusionere de deterministiske koblede klynger og stokastiske Quantum Monte Carlo-tilgange.

Selvom den generelle matematiske teori om kvantemekanikkens mikroskopiske verden er veletableret, udfordringerne har været centreret om at løse de komplicerede ligninger, der er født af den nøjagtige anvendelse af lovene. Schrödinger-ligningen med mange partikler er kernen i problemet.

"I stedet for at insistere på en enkelt filosofi, når man løser den elektroniske Schrödinger -ligning, som historisk set har været enten deterministisk eller stokastisk, vi har valgt en tredje vej, "Piecuch sagde." Som en af ​​anmelderne bemærkede, essensen af ​​det er bemærkelsesværdigt enkel:brug den stokastiske tilgang til at bestemme, hvad der er vigtigt, og den deterministiske tilgang til at bestemme det vigtige, mens der korrigeres for de oplysninger, der savnes ved stokastisk prøveudtagning. "

Deres nye metode viser hurtig konvergens mod målmolekylær elektronisk energi baseret på informationen hentet fra de tidlige stadier af Monte Carlo -bølgefunktionsudbredelserne, reducere beregningsomkostninger med størrelsesordener.

Løsning af Schrödinger-ligningen for mangeelektronbølgefunktionen har i årtier været en central udfordring inden for kvantekemi. Alt andet end et é-elektron problem, såsom et hydrogenatom, kræver anvendelse af numeriske metoder, konverteret til sofistikerede computerprogrammer, såsom dem udviklet af Piecuch og hans gruppe. Hovedproblemet har været den iboende kompleksitet i den elektroniske bevægelse, som kvantekemikere og fysikere kalder "elektronkorrelation".

Den nye idé er at bruge de stokastiske metoder, udviklet af Ali Alavi, professor i kemi ved University of Cambridge og direktør for Electronic Structure Theory Group i Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart; George H. Booth, Royal Society Research Fellow i King's College London; og Alex J. W. Thom, Royal Society Research Fellow ved University of Cambridge, at identificere de førende bølgefunktionskomponenter og de deterministiske koblede klyngeberegninger, kombineret med passende energikorrektioner, at give de manglende oplysninger.

"Det er som at spille skak og være i stand til at forudsige kampens udfald efter de første få træk, "Sagde Deustua.

Resultaterne kan have stor indflydelse på kvanteberegninger for atomer og molekyler, og andre mange-elektron-systemer.

Sammenlægningen af ​​deterministiske og stokastiske tilgange som en generel metode til løsning af mangepartikel-Schrödinger-ligningen kan også påvirke andre områder, såsom atomfysik.

"I tilfælde af kerner, i stedet for at bekymre sig om elektroner, man ville bruge vores nye tilgang til at løse Schrödinger -ligningen for protoner og neutroner, "Sagde Piecuch." De matematiske og beregningsmæssige spørgsmål ligner hinanden. Ligesom kemikere ønsker at forstå den elektroniske struktur af et molekyle, atomfysikere ønsker at opklare strukturen af ​​atomkernen. Endnu engang, at løse mangepartikel-Schrödinger-ligningen har nøglen. "