Un gruppo di ricercatori della Michigan State University (MSU) specializzati in calcoli quantistici ha proposto un approccio computazionale radicalmente nuovo per risolvere la complessa equazione di Schrödinger a molte particelle che contiene la chiave per spiegare il movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole.

Comprendendo i dettagli di questo movimento, si può determinare la quantità di energia necessaria per trasformare i reagenti in prodotti in una reazione chimica, o il colore della luce assorbita da una molecola, e infine accelerare la progettazione di nuovi farmaci e materiali, catalizzatori migliori e fonti energetiche più efficienti.

Il lavoro, guidato da Piotr Piecuch, un Distinguished Professor universitario presso il Dipartimento di Chimica MSU e professore a contratto presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia presso il College of Natural Science, è stato pubblicato nel numero del 1 dicembre di Lettere di revisione fisica . Coinvolti nel lavoro anche il dottorando del quarto anno J. Emiliano Deustua e il senior postdoctoral associate Jun Shen. Il gruppo fornisce dettagli per un nuovo modo di ottenere energie elettroniche altamente accurate fondendo gli approcci deterministici a cluster accoppiati e stocastici Quantum Monte Carlo.

Sebbene la teoria matematica generale del mondo microscopico della meccanica quantistica sia ben consolidata, le sfide si sono concentrate sulla risoluzione delle complicate equazioni nate dall'esatta applicazione delle leggi. L'equazione di Schrödinger a molte particelle è al centro del problema.

"Invece di insistere su un'unica filosofia quando si risolve l'equazione di Schrödinger elettronica, che storicamente è stato deterministico o stocastico, abbiamo scelto una terza via, " Piecuch ha detto. "Come ha notato uno dei revisori, l'essenza di ciò è straordinariamente semplice:utilizzare l'approccio stocastico per determinare ciò che è importante e l'approccio deterministico per determinare l'importante, correggendo per le informazioni perse dal campionamento stocastico."

Il loro nuovo metodo mostra una rapida convergenza verso l'energia elettronica molecolare bersaglio basata sulle informazioni estratte dalle prime fasi delle propagazioni della funzione d'onda Monte Carlo, ridurre i costi di calcolo per ordini di grandezza.

Risolvere l'equazione di Schrödinger per la funzione d'onda a molti elettroni è stata per decenni una sfida chiave nella chimica quantistica. Qualsiasi cosa diversa da un problema di un elettrone, come un atomo di idrogeno, richiede il ricorso a metodi numerici, convertiti in sofisticati programmi per computer, come quelli sviluppati da Piecuch e dal suo gruppo. La difficoltà principale è stata la complessità intrinseca del movimento elettronico, che i chimici ei fisici quantistici chiamano "correlazione elettronica".

La nuova idea è quella di utilizzare i metodi stocastici, sviluppato da Ali Alavi, professore di chimica all'Università di Cambridge e direttore dell'Electronic Structure Theory Group al Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda; George H. Booth, ricercatore della Royal Society presso il King's College di Londra; e Alex J.W. Thom, Ricercatore della Royal Society presso l'Università di Cambridge, identificare le principali componenti della funzione d'onda e i calcoli deterministici a cluster accoppiati, abbinato ad adeguate correzioni energetiche, per fornire le informazioni mancanti.

"È come giocare a scacchi e poter prevedere l'esito della partita dopo le prime mosse, " disse Deustua.

I risultati possono avere un profondo impatto sui calcoli quantistici per atomi e molecole, e altri sistemi a molti elettroni.

La fusione di approcci deterministici e stocastici come metodo generale per risolvere l'equazione di Schrödinger a molte particelle può avere un impatto anche su altre aree, come la fisica nucleare.

"Nel caso dei nuclei, invece di preoccuparsi degli elettroni, si userebbe il nostro nuovo approccio per risolvere l'equazione di Schrödinger per protoni e neutroni, " Piecuch ha detto. "Le questioni matematiche e computazionali sono simili. Proprio come i chimici vogliono capire la struttura elettronica di una molecola, i fisici nucleari vogliono svelare la struttura del nucleo atomico. Di nuovo, la soluzione dell'equazione di Schrödinger a molte particelle è la chiave".