Uendelige kæder af hydrogenatomer har overraskende egenskaber, herunder en metallisk fase

En uendelig kæde af hydrogenatomer er næsten det enkleste bulkmateriale man kan forestille sig-en uendelig enkeltfilfillinje af protoner omgivet af elektroner. Alligevel finder en ny beregningsundersøgelse, der kombinerer fire banebrydende metoder, at det beskedne materiale kan prale af fantastiske og overraskende kvanteegenskaber.

Ved at beregne konsekvenserne af at ændre afstanden mellem atomerne, et internationalt team af forskere fra Flatiron Institute og Simons Collaboration on the Many Electron Problem fandt ud af, at brintkædens egenskaber kan varieres på uventede og drastiske måder. Det inkluderer kæden, der omdannes fra en magnetisk isolator til et metal, forskerne rapporterer 14. september i Fysisk gennemgang X .

De beregningsmetoder, der blev brugt i undersøgelsen, er et vigtigt skridt i retning af specialdesignede materialer med efterspurgte egenskaber, såsom muligheden for høj temperatur superledningsevne, hvor elektroner flyder frit gennem et materiale uden at miste energi, siger undersøgelsens seniorforfatter Shiwei Zhang. Zhang er seniorforsker ved Center for Computational Quantum Physics (CCQ) ved Simons Foundation's Flatiron Institute i New York City.

"Hovedformålet var at anvende vores værktøjer på en realistisk situation, "Siger Zhang." Næsten som et sideprodukt, vi opdagede al denne interessante fysik i brintkæden. Vi troede ikke, at den ville være så rig, som den viste sig at være. "

Zhang, som også er kanslerprofessor i fysik ved College of William and Mary, ledet forskningen sammen med Mario Motta fra IBM Quantum. Motta fungerer som første forfatter af papiret sammen med Claudio Genovese fra International School for Advanced Studies (SISSA) i Italien, Fengjie Ma fra Beijing Normal University, Zhi-Hao Cui fra California Institute of Technology, og Randy Sawaya fra University of California, Irvine. Yderligere medforfattere inkluderer CCQ-meddirektør Andrew Millis, CCQ Flatiron Research Fellow Hao Shi og CCQ forsker Miles Stoudenmire.

Papirets lange forfatterliste-i alt 17 medforfattere-er ualmindelig for feltet, Siger Zhang. Metoder udvikles ofte inden for individuelle forskergrupper. Den nye undersøgelse samler mange metoder og forskningsgrupper for at kombinere kræfter og tackle et særligt tornede problem. "Det næste trin i feltet er at bevæge sig mod mere realistiske problemer, "siger Zhang, "og der er ingen mangel på disse problemer, der kræver samarbejde."

Selvom konventionelle metoder kan forklare egenskaberne ved nogle materialer, andre materialer, såsom uendelige brintkæder, udgøre en mere skræmmende beregningsmæssig hindring. Det er fordi elektronernes adfærd i disse materialer er stærkt påvirket af interaktioner mellem elektroner. Når elektroner interagerer, de bliver kvantemekanisk viklet ind i hinanden. Når den var viklet ind, elektronerne kan ikke længere behandles individuelt, også når de er fysisk adskilte.

Det store antal elektroner i et bulkmateriale - cirka 100 milliarder billioner pr. Gram - betyder, at konventionelle brute force -metoder ikke engang kan komme tæt på at levere en løsning. Antallet af elektroner er så stort, at det er praktisk talt uendeligt, når man tænker på kvanteskalaen.

Heldigvis, kvantefysikere har udviklet kloge metoder til at tackle dette mangelelektronproblem. Den nye undersøgelse kombinerer fire sådanne metoder:varianter Monte Carlo, gitter-reguleret diffusion Monte Carlo, hjælpefelt kvante Monte Carlo, og renormaliseringsgruppe med standard densitet og matrix med skiver på basis. Hver af disse banebrydende metoder har sine styrker og svagheder. Ved at bruge dem parallelt og i samklang får du et mere fuldstændigt billede, Siger Zhang.

Forskere, herunder forfattere af den nye undersøgelse, tidligere brugt disse metoder i 2017 til at beregne den mængde energi, hvert atom i en brintkæde har som funktion af kædens afstand. Denne beregning, kendt som statens ligning, giver ikke et komplet billede af kædens ejendomme. Ved yderligere at finpudse deres metoder, forskerne gjorde netop det.

Ved store adskillelser, forskerne fandt ud af, at elektronerne forbliver begrænset til deres respektive protoner. Selv på så store afstande, elektronerne 'ved' stadig om hinanden og bliver viklet ind. Fordi elektronerne ikke lige let kan hoppe fra atom til atom, kæden fungerer som en elektrisk isolator.

Når atomerne bevæger sig tættere på hinanden, elektronerne forsøger at danne molekyler med to hydrogenatomer hver. Fordi protonerne er fastgjort på plads, disse molekyler kan ikke dannes. I stedet, elektronerne 'vinker' til hinanden, som Zhang udtrykker det. Elektroner vil læne sig mod et tilstødende atom. I denne fase, hvis du finder en elektron, der læner sig mod en af ​​sine naboer, vil du opdage, at naboelektronen reagerer til gengæld. Dette mønster af elektronpar, der læner sig mod hinanden, vil fortsætte i begge retninger.

Flytter brintatomerne endnu tættere sammen, forskerne opdagede, at brintkæden omdannes fra en isolator til et metal med elektroner, der bevæger sig frit mellem atomer. Under en simpel model af interagerende partikler kendt som den endimensionelle Hubbard-model, denne overgang bør ikke ske, da elektroner bør afvise hinanden elektrisk nok til at begrænse bevægelse. I 1960'erne, Den britiske fysiker Nevill Mott forudsagde eksistensen af ​​en isolator-til-metal-overgang baseret på en mekanisme, der involverer såkaldte excitoner, hver bestående af en elektron, der forsøger at bryde fri af sit atom og hullet, den efterlader. Mott foreslog en brat overgang drevet af bruddet på disse excitoner - noget den nye brintkædestudie ikke så.

I stedet, forskerne opdagede en mere nuanceret overgang mellem isolator og metal. Når atomerne bevæger sig tættere på hinanden, elektroner bliver gradvist skrællet af den tæt bundne indre kerne omkring protonlinjen og bliver en tynd 'damp', der kun er løst bundet til linjen og viser interessante magnetiske strukturer.

Den uendelige brintkæde vil være et centralt benchmark i fremtiden i udviklingen af ​​beregningsmetoder, Siger Zhang. Forskere kan modellere kæden ved hjælp af deres metoder og kontrollere deres resultater for nøjagtighed og effektivitet i forhold til den nye undersøgelse.

Det nye arbejde er et spring fremad i jagten på at udnytte beregningsmetoder til at modellere realistiske materialer, siger forskerne. I 1960'erne, Den britiske fysiker Neil Ashcroft foreslog, at metallisk brint, for eksempel, kan være en superleder ved høj temperatur. Selvom den endimensionelle brintkæde ikke findes i naturen (den ville krumme sig til en tredimensionel struktur), forskerne siger, at de erfaringer, de har lært, er et afgørende skridt fremad i udviklingen af ​​de metoder og fysiske forståelse, der er nødvendige for at tackle endnu mere realistiske materialer.