(Phys.org)—Per la prima volta, gli scienziati hanno determinato l'equazione di stato di una catena infinita di atomi di idrogeno, che dice la quantità di energia che ogni atomo di idrogeno ha, data la lunghezza del legame tra atomi adiacenti.

Ma ciò che è ancora più interessante per gli scienziati del risultato stesso è il modo in cui l'hanno ottenuto:utilizzando una ventina di metodi computazionali all'avanguardia che sono stati recentemente sviluppati per analizzare i sistemi a molti elettroni. I nuovi risultati offrono un primo assaggio di ciò che questi metodi possono offrire per comprendere e prevedere le proprietà di molti materiali complessi, e infine progettando materiali completamente nuovi.

I chimici e i fisici dietro il nuovo studio sono membri della Simons Collaboration on the Many-Electron Problem, il cui obiettivo finale è trovare metodi per modellare e comprendere sistemi a molti elettroni. Questi sono fondamentalmente tutti i sistemi che, come una catena infinita di atomi di idrogeno, contengono un gran numero di atomi o molecole, e, perciò, molti elettroni.

Le interazioni elettrone-elettrone giocano un ruolo importante nel determinare le proprietà di un materiale, ad esempio quanto bene conduce l'elettricità e quanto è duro o morbido. Queste informazioni sono fondamentali per iniziative future in cui i ricercatori progettano nuovi materiali con proprietà specifiche desiderate. Sebbene sia relativamente facile modellare sistemi con pochi elettroni, all'aumentare del numero di elettroni, il numero di possibili stati che un sistema può occupare cresce esponenzialmente. Modellare tali sistemi diventa quindi sempre più difficile, poiché gli effetti di interazione degli elettroni sono così forti che anche le migliori teorie degli elettroni indipendenti falliscono.

Per modellare sistemi a molti elettroni, i ricercatori hanno sviluppato diversi metodi computazionali a molti elettroni che si basano su concetti avanzati in matematica e informatica, come la teoria del cluster embedding, metodi Montecarlo, e reti tensoriali. Ma così lontano, non esiste alcun metodo in grado di trattare sistematicamente tutti i sistemi a molti elettroni con elevata precisione e basso costo computazionale.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzato una catena lineare di atomi di idrogeno come primo sistema di riferimento per testare molti di questi nuovi metodi teorici. Applicando circa 20 dei metodi più recenti allo stesso problema, gli scienziati sono stati in grado di convalidare e verificare i risultati di ciascun metodo. Sebbene l'intero processo fosse computazionalmente complesso, ha permesso agli scienziati di combinare i punti di forza di metodi complementari e determinare l'energia per atomo con un alto grado di precisione. Potrebbero quindi confrontare l'accuratezza dei singoli metodi, che ha rivelato che molti dei nuovi metodi hanno raggiunto da soli un alto grado di precisione.

"Ci sono diverse sfaccettature in questo lavoro, "Shiwei Zhang, un professore di fisica al College of William and Mary e l'autore corrispondente dell'articolo, detto Phys.org . "Ha prodotto numerosi dati e confronti, come è stato progettato per fare uno studio di riferimento. Ha anche stimolato molti sviluppi algoritmici nei diversi metodi, risultato delle interazioni e della "competizione amichevole". Forse meno ovvio ma più importante:ha unito persone e algoritmi, aiutato a focalizzare il campo, e ha spinto la comunità a lavorare in sinergia nei modi più produttivi".

Gli scienziati stanno mettendo a disposizione di altri ricercatori la grande quantità di dati prodotti in questo studio, che sarà presto disponibile qui. Si aspettano che i dati siano utili per analizzare i metodi computazionali, benchmarking di nuovi metodi, studiare altri sistemi a molti elettroni, e acquisire una comprensione più profonda di molte aree della fisica della materia condensata, chimica quantistica, e scienza dei materiali, tra gli altri campi.

"Un obiettivo a breve termine è determinare le proprietà della catena dell'idrogeno, " disse Zhang. "Sorprendentemente, anche in questo materiale relativamente semplice, ' ci sono domande importanti per le quali non abbiamo risposte definitive. Abbiamo calcolato l'equazione di stato. Ma, Per esempio, quali sono le proprietà elettriche e magnetiche?

"Più generalmente, vorremmo estendere tali studi di riferimento a materiali più complessi. Continueremo a sviluppare i nostri metodi e software computazionali. E ovviamente vorremmo applicarli per affrontare i problemi più impegnativi a molti elettroni nelle molecole e nei solidi importanti per la scienza e la tecnologia".

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