Как и люди, создавшие их, компьютеры считают физику сложной, но квантовую механику еще сложнее. Но новая методика, созданная тремя учеными из Чикагского университета, позволяет компьютерам моделировать определенные сложные квантово-механические эффекты в сложных электронных материалах с гораздо меньшими усилиями.

Ученые надеются, что, сделав эти симуляции более точными и эффективными, этот метод поможет открыть новые молекулы и материалы, такие как новые типы солнечных элементов или квантовых компьютеров.

«Это достижение имеет огромный потенциал для дальнейшего понимания молекулярных явлений, что имеет важное значение для химии, материаловедения и смежных областей. ,» сказал ученый Дэниел Гибни, доктор философии Чикагского университета. студент-химик и первый автор статьи, опубликованной 14 декабря в Physical Review Letters.

Электроны и энергия

Лист или солнечная панель снаружи выглядят гладкими и простыми, но увеличьте масштаб до молекулярного уровня, и вы увидеть невероятно сложный танец электронов и молекул.

Чтобы добиться новых успехов в области устойчивого развития, производства, сельского хозяйства и многих других областей, ученые моделируют поведение этих химических и молекулярных взаимодействий. Это помогает раскрыть новые возможности дизайна на будущее — от новых способов улавливания диоксида углерода до новых типов квантовых битов.

За последние десятилетия было достигнуто много успехов, но одна из областей, которую по-прежнему трудно моделировать, — это когда молекулы начинают демонстрировать сложное квантово-механическое поведение, которое ученые называют сильной корреляцией.

Проблема в том, что как только электроны начинают демонстрировать свои наиболее квантово-механические эффекты, такие как «запутывание», для вычислений мгновенно требуется гораздо больше вычислительной мощности. Даже суперкомпьютеры с трудом справляются с последствиями.

Один из часто используемых вычислений называется теорией функционала плотности. «По сути, это наиболее распространенный метод предсказания электронной структуры, но по сути это приближение, в котором все электроны рассматриваются как функция одного электрона», объяснил Дэвид Мацциотти, профессор химии и старший автор исследования.

Для многих расчетов приближение помогает. Но он начинает разрушаться по мере того, как поведение электронов становится более коррелированным, как это происходит, когда в игру начинает вступать квантовая механика. В квантовой механике эти электроны могут находиться в нескольких местах или орбиталях одновременно. Это ставит в тупик не только человеческий мозг, но и теорию функционала плотности.

«И это важная проблема, потому что многие проблемы, которые волнуют нас в 21 веке, например, новые молекулы и материалы для возобновляемой энергетики и устойчивого развития, требуют от нас использования квантовой природы материалов», — сказал он. — сказал Мацциотти.

Мацциотти, Гибни и третий автор Ян-Никлас Бойн обнаружили, что они могут добавить универсальную поправку к теории функционала плотности, которая позволяет электронам запутываться между несколькими орбиталями одновременно.

«Это позволяет орбиталям в расчете быть не только полностью заполненными или полностью пустыми, но и где-то посередине», — сказал он. — сказал Мацциотти. «Мы приходим к одноэлектронной картине, которая все еще способна уловить поведение, возникающее в результате коррелированных электронных эффектов многих тел».

«Универсальный»; приспособление

В качестве бонуса, по словам ученых, код можно добавить к существующим алгоритмам без необходимости его переписывать. «По сути, исправление вступает в силу всякий раз, когда оно необходимо, но в остальном не мешает остальной части кода», — сказал он. — сказал Гибни.

Он также универсален — его можно добавить в код, моделирующий многие виды электронного поведения, будь то фотоэлектрические солнечные панели, секвестрация углерода, сверхпроводящие материалы — или даже биология.

Например, объяснил Бойн, одним из приложений может быть понимание химии, которая происходит с использованием ферментов, содержащих атомы металлов, известных как металлоферменты.

«Например, существует множество металлоферментов, ответственных за большую часть химических процессов в ваших клетках, но их, как известно, трудно описать с помощью современных моделей», — говорит он. он сказал. «Эта теория может в ближайшем будущем позволить нам заняться этой химией так, как это невозможно сейчас».