Una catena infinita di atomi di idrogeno è quasi il materiale sfuso più semplice che si possa immaginare:una linea infinita di protoni a fila singola circondata da elettroni. Eppure un nuovo studio computazionale che combina quattro metodi all'avanguardia scopre che il materiale modesto vanta proprietà quantistiche fantastiche e sorprendenti.

Calcolando le conseguenze della modifica della spaziatura tra gli atomi, un team internazionale di ricercatori del Flatiron Institute e della Simons Collaboration on the Many Electron Problem ha scoperto che le proprietà della catena dell'idrogeno possono variare in modi inaspettati e drastici. Ciò include la catena che si trasforma da isolante magnetico in metallo, i ricercatori riferiscono il 14 settembre in Revisione fisica X .

I metodi computazionali utilizzati nello studio rappresentano un passo significativo verso la progettazione di materiali personalizzati con proprietà ricercate, come la possibilità della superconduttività ad alta temperatura in cui gli elettroni fluiscono liberamente attraverso un materiale senza perdere energia, dice l'autore senior dello studio Shiwei Zhang. Zhang è un ricercatore senior presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) presso il Flatiron Institute della Simons Foundation a New York City.

"Lo scopo principale era applicare i nostri strumenti a una situazione realistica, " dice Zhang. "Quasi come un prodotto secondario, abbiamo scoperto tutta questa interessante fisica della catena dell'idrogeno. Non pensavamo che sarebbe stato ricco come si è scoperto".

Zhang, che è anche rettore professore di fisica al College of William and Mary, co-ha guidato la ricerca con Mario Motta di IBM Quantum. Motta è il primo autore del documento insieme a Claudio Genovese della International School for Advanced Studies (SISSA) in Italia, Fengjie Ma dell'Università Normale di Pechino, Zhi-Hao Cui del California Institute of Technology, e Randy Sawaya dell'Università della California, Irvine. Altri co-autori includono il co-direttore di CCQ Andrew Millis, Hao Shi, ricercatore del CCQ Flatiron e ricercatore del CCQ Miles Stoudenmire.

La lunga lista di autori del documento - 17 coautori in totale - è rara per il campo, dice Zhang. I metodi sono spesso sviluppati all'interno di singoli gruppi di ricerca. Il nuovo studio riunisce molti metodi e gruppi di ricerca per unire le forze e affrontare un problema particolarmente spinoso. "Il prossimo passo sul campo è andare verso problemi più realistici, "dice Zhang, "e non mancano questi problemi che richiedono collaborazione".

Mentre i metodi convenzionali possono spiegare le proprietà di alcuni materiali, altri materiali, come infinite catene di idrogeno, rappresentano un ostacolo computazionale più scoraggiante. Questo perché il comportamento degli elettroni in quei materiali è fortemente influenzato dalle interazioni tra gli elettroni. Quando gli elettroni interagiscono, si intrecciano l'uno con l'altro dal punto di vista della meccanica quantistica. Una volta impigliato, gli elettroni non possono più essere trattati singolarmente, anche quando sono fisicamente separati.

Il numero di elettroni in un materiale sfuso, circa 100 miliardi di trilioni per grammo, significa che i metodi convenzionali di forza bruta non possono nemmeno avvicinarsi a fornire una soluzione. Il numero di elettroni è così grande che è praticamente infinito quando si pensa alla scala quantistica.

per fortuna, i fisici quantistici hanno sviluppato metodi intelligenti per affrontare questo problema a molti elettroni. Il nuovo studio combina quattro di questi metodi:Monte Carlo variazionale, diffusione reticolare-regolata Monte Carlo, campo ausiliario quantistico Monte Carlo, e gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità standard e su base affettata. Ognuno di questi metodi all'avanguardia ha i suoi punti di forza e di debolezza. Usarli in parallelo e in concerto fornisce un quadro più completo, dice Zhang.

Ricercatori, compresi gli autori del nuovo studio, precedentemente utilizzato questi metodi nel 2017 per calcolare la quantità di energia che ogni atomo in una catena di idrogeno ha in funzione della distanza della catena. Questo calcolo, nota come equazione di stato, non fornisce un quadro completo delle proprietà della catena. Affinando ulteriormente i loro metodi, i ricercatori hanno fatto proprio questo.

A grandi separazioni, i ricercatori hanno scoperto che gli elettroni rimangono confinati nei rispettivi protoni. Anche a distanze così grandi, gli elettroni ancora 'sanno' l'uno dell'altro e si impigliano. Poiché gli elettroni non possono saltare da un atomo all'altro con la stessa facilità, la catena funge da isolante elettrico.

Man mano che gli atomi si avvicinano, gli elettroni cercano di formare molecole di due atomi di idrogeno ciascuna. Poiché i protoni sono fissati sul posto, queste molecole non possono formarsi. Anziché, gli elettroni si "ondano" l'uno con l'altro, come dice Zhang. Gli elettroni si inclineranno verso un atomo adiacente. In questa fase, se trovi un elettrone proteso verso uno dei suoi vicini, scoprirai che l'elettrone vicino risponde in cambio. Questo schema di coppie di elettroni inclinati l'uno verso l'altro continuerà in entrambe le direzioni.

Avvicinando ancora di più gli atomi di idrogeno, i ricercatori hanno scoperto che la catena dell'idrogeno si è trasformata da isolante in un metallo con gli elettroni che si muovono liberamente tra gli atomi. Sotto un semplice modello di particelle interagenti noto come modello unidimensionale di Hubbard, questa transizione non dovrebbe avvenire, poiché gli elettroni dovrebbero respingersi elettricamente l'un l'altro abbastanza da limitare il movimento. Negli anni Sessanta, Il fisico britannico Nevill Mott predisse l'esistenza di una transizione isolante-metallo basata su un meccanismo che coinvolge i cosiddetti eccitoni, ciascuno costituito da un elettrone che cerca di liberarsi dal suo atomo e dal buco che lascia dietro di sé. Mott ha proposto una transizione improvvisa guidata dalla rottura di questi eccitoni, qualcosa che il nuovo studio sulla catena dell'idrogeno non ha visto.

Anziché, i ricercatori hanno scoperto una transizione isolante-metallo più sfumata. Man mano che gli atomi si avvicinano, gli elettroni vengono gradualmente staccati dal nucleo interno strettamente legato attorno alla linea del protone e diventano un sottile "vapore" solo debolmente legato alla linea e che mostra interessanti strutture magnetiche.

La catena infinita dell'idrogeno sarà un punto di riferimento chiave in futuro nello sviluppo di metodi computazionali, dice Zhang. Gli scienziati possono modellare la catena utilizzando i loro metodi e verificare la precisione e l'efficienza dei risultati rispetto al nuovo studio.

Il nuovo lavoro è un balzo in avanti nella ricerca di utilizzare metodi computazionali per modellare materiali realistici, dicono i ricercatori. Negli anni Sessanta, Il fisico britannico Neil Ashcroft propose che l'idrogeno metallico, ad esempio, potrebbe essere un superconduttore ad alta temperatura. Mentre la catena dell'idrogeno unidimensionale non esiste in natura (si accartoccerebbe in una struttura tridimensionale), i ricercatori affermano che le lezioni apprese sono un passo avanti cruciale nello sviluppo dei metodi e della comprensione fisica necessari per affrontare materiali ancora più realistici.