(Phys.org)—Voor de eerste keer, wetenschappers hebben de toestandsvergelijking van een oneindige keten van waterstofatomen bepaald, die aangeeft hoeveel energie elk waterstofatoom heeft, gegeven de bindingslengte tussen aangrenzende atomen.

Maar wat voor de wetenschappers nog interessanter is dan het resultaat zelf, is hoe ze het hebben bereikt:door gebruik te maken van een twintigtal ultramoderne computationele methoden die recentelijk zijn ontwikkeld om systemen met veel elektronen te analyseren. De nieuwe resultaten bieden een eerste glimp van wat deze methoden kunnen bieden voor het begrijpen en voorspellen van de eigenschappen van veel complexe materialen, en uiteindelijk het ontwerpen van volledig nieuwe materialen.

De chemici en natuurkundigen achter de nieuwe studie zijn lid van de Simons Collaboration on the Many-Electron Problem, wiens uiteindelijke doel het is om methoden te vinden om systemen met veel elektronen te modelleren en te begrijpen. Dit zijn eigenlijk alle systemen die - zoals een oneindige keten van waterstofatomen - grote aantallen atomen of moleculen bevatten, en, daarom, veel elektronen.

Elektron-elektron interacties spelen een grote rol bij het bepalen van de eigenschappen van een materiaal, zoals hoe goed het elektriciteit geleidt en hoe hard of zacht het is. Deze informatie is cruciaal voor toekomstige initiatieven waarbij onderzoekers nieuwe materialen ontwerpen met specifieke gewenste eigenschappen. Hoewel het relatief eenvoudig is om systemen met een paar elektronen te modelleren, als het aantal elektronen groeit, het aantal mogelijke toestanden dat een systeem kan bezetten groeit exponentieel. Het modelleren van dergelijke systemen wordt dan steeds moeilijker, omdat de elektroneninteractie-effecten zo sterk zijn dat zelfs de beste onafhankelijke elektronentheorieën instorten.

Om veel-elektronensystemen te modelleren, onderzoekers hebben verschillende computationele methoden met veel elektronen ontwikkeld die gebaseerd zijn op geavanceerde concepten in wiskunde en informatica, zoals clusterinbeddingstheorie, Monte Carlo-methoden, en tensornetwerken. Maar tot nu toe, er bestaat geen methode die alle systemen met veel elektronen systematisch kan behandelen met een hoge nauwkeurigheid en lage rekenkosten.

In de nieuwe studie de wetenschappers gebruikten een lineaire keten van waterstofatomen als het eerste benchmarksysteem om veel van deze nieuwe theoretische methoden te testen. Door ongeveer 20 van de nieuwste methoden op hetzelfde probleem toe te passen, de wetenschappers waren in staat om de resultaten van elke methode te valideren en te controleren. Hoewel het hele proces rekenkundig complex was, het stelde de wetenschappers in staat om de sterke punten van complementaire methoden te combineren en de energie per atoom met een hoge mate van nauwkeurigheid te bepalen. Ze konden dan de nauwkeurigheid van afzonderlijke methoden vergelijken, waaruit bleek dat veel van de nieuwe methoden zelf een hoge mate van nauwkeurigheid bereikten.

"Dit werk heeft verschillende facetten, "Shiwei Zhang, een natuurkundeprofessor aan het College of William and Mary en de corresponderende auteur van het artikel, vertelde Phys.org . "Het leverde uitgebreide gegevens en vergelijkingen op, zoals een benchmarkonderzoek is ontworpen. Het leidde ook tot veel algoritmische ontwikkelingen in de verschillende methoden, die het resultaat waren van de interacties en 'vriendelijke concurrentie'. Misschien minder voor de hand liggend maar het belangrijkste:het bracht mensen en algoritmen samen, hielp het veld te focussen, en dwong de gemeenschap om op de meest productieve manieren synergetisch te werken."

De wetenschappers stellen de enorme hoeveelheid gegevens die in dit onderzoek zijn geproduceerd ter beschikking van andere onderzoekers, die binnenkort hier verkrijgbaar is. Ze verwachten dat de gegevens nuttig zullen zijn voor het analyseren van de rekenmethoden, benchmarking van nieuwe methoden, het bestuderen van andere veel-elektronensystemen, en een dieper begrip krijgen van vele gebieden in de fysica van de gecondenseerde materie, kwantumchemie, en materiaalkunde, onder andere velden.

"Een korte termijn doel is om de eigenschappen van de waterstofketen te bepalen, " zei Zhang. "Verrassend genoeg, zelfs in dit relatief eenvoudige 'materiaal, ' zijn er belangrijke vragen waar we geen definitief antwoord op hebben. We hebben de toestandsvergelijking berekend. Maar, bijvoorbeeld, wat zijn de elektrische en magnetische eigenschappen?

"Algemener, dergelijke benchmarkstudies willen we graag uitbreiden naar complexere materialen. We zullen onze computationele methoden en software blijven ontwikkelen. En natuurlijk willen we ze toepassen om de meest uitdagende veel-elektronenproblemen aan te pakken in moleculen en vaste stoffen die belangrijk zijn voor wetenschap en technologie."

© 2017 Fys.org