Een oneindige keten van waterstofatomen is zo ongeveer het eenvoudigste bulkmateriaal dat je je kunt voorstellen:een oneindige lijn van protonen met één bestand omringd door elektronen. Maar uit een nieuwe computationele studie die vier geavanceerde methoden combineert, blijkt dat het bescheiden materiaal fantastische en verrassende kwantumeigenschappen heeft.

Door de gevolgen te berekenen van het veranderen van de afstand tussen de atomen, een internationaal team van onderzoekers van het Flatiron Institute en de Simons Collaboration on the Many Electron Problem ontdekte dat de eigenschappen van de waterstofketen op onverwachte en drastische manieren kunnen worden gevarieerd. Dat omvat de ketting die verandert van een magnetische isolator in een metaal, de onderzoekers rapporteren 14 september in Fysieke beoordeling X .

De computationele methoden die in het onderzoek zijn gebruikt, vormen een belangrijke stap in de richting van op maat gemaakte materialen met gewilde eigenschappen, zoals de mogelijkheid van supergeleiding bij hoge temperatuur waarbij elektronen vrij door een materiaal stromen zonder energie te verliezen, zegt senior auteur Shiwei Zhang van de studie. Zhang is senior onderzoeker bij het Center for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute van de Simons Foundation in New York City.

"Het belangrijkste doel was om onze tools toe te passen op een realistische situatie, " zegt Zhang. "Bijna als bijproduct, we hebben al deze interessante fysica van de waterstofketen ontdekt. We hadden niet gedacht dat het zo rijk zou zijn als het bleek te zijn."

Zhang, die ook kanselier professor natuurkunde is aan het College of William and Mary, leidde het onderzoek samen met Mario Motta van IBM Quantum. Motta is de eerste auteur van het artikel, samen met Claudio Genovese van de International School for Advanced Studies (SISSA) in Italië, Fengjie Ma van de Beijing Normal University, Zhi-Hao Cui van het California Institute of Technology, en Randy Sawaya van de Universiteit van Californië, Irvine. Andere co-auteurs zijn onder meer CCQ co-regisseur Andrew Millis, CCQ Flatiron Research Fellow Hao Shi en CCQ-onderzoeker Miles Stoudenmire.

De lange lijst van auteurs van het artikel - in totaal 17 co-auteurs - is ongebruikelijk voor het vakgebied, zegt Zhang. Methoden worden vaak ontwikkeld binnen individuele onderzoeksgroepen. De nieuwe studie brengt veel methoden en onderzoeksgroepen samen om de krachten te bundelen en een bijzonder netelig probleem aan te pakken. "De volgende stap in het veld is om naar meer realistische problemen te gaan, " zegt Zhang, "en er is geen gebrek aan deze problemen die samenwerking vereisen."

Hoewel conventionele methoden de eigenschappen van sommige materialen kunnen verklaren, andere materialen, zoals oneindige waterstofketens, een meer ontmoedigende rekenkundige hindernis vormen. Dat komt omdat het gedrag van de elektronen in die materialen sterk wordt beïnvloed door interacties tussen elektronen. Als elektronen interageren, ze raken kwantummechanisch met elkaar verstrengeld. Eenmaal verstrikt, de elektronen kunnen niet meer afzonderlijk worden behandeld, zelfs als ze fysiek gescheiden zijn.

Het enorme aantal elektronen in een bulkmateriaal - ongeveer 100 miljard biljoen per gram - betekent dat conventionele brute force-methoden niet eens in de buurt komen van het bieden van een oplossing. Het aantal elektronen is zo groot dat het praktisch oneindig is als je op kwantumschaal denkt.

Dankbaar, kwantumfysici hebben slimme methoden ontwikkeld om dit probleem met veel elektronen aan te pakken. De nieuwe studie combineert vier van dergelijke methoden:Variational Monte Carlo, rooster-gereguleerde diffusie Monte Carlo, hulpveldkwantum Monte Carlo, en standaard en op segmenten gebaseerde dichtheidsmatrix renormalisatiegroep. Elk van deze geavanceerde methoden heeft zijn sterke en zwakke punten. Door ze parallel en in overleg te gebruiken, krijgt u een vollediger beeld, zegt Zhang.

onderzoekers, inclusief auteurs van de nieuwe studie, gebruikte die methoden eerder in 2017 om de hoeveelheid energie te berekenen die elk atoom in een waterstofketen heeft als functie van de afstand tussen de ketens. Deze berekening, bekend als de staatsvergelijking, geeft geen volledig beeld van de eigenschappen van de keten. Door hun methoden verder aan te scherpen, de onderzoekers deden precies dat.

Bij grote scheidingen, de onderzoekers ontdekten dat de elektronen beperkt blijven tot hun respectievelijke protonen. Zelfs op zulke grote afstanden de elektronen 'weten' nog van elkaar en raken verstrengeld. Omdat de elektronen niet zo gemakkelijk van atoom naar atoom kunnen springen, de ketting werkt als een elektrische isolator.

Naarmate de atomen dichter bij elkaar komen, de elektronen proberen moleculen van elk twee waterstofatomen te vormen. Omdat de protonen op hun plaats zijn gefixeerd, deze moleculen kunnen zich niet vormen. In plaats daarvan, de elektronen 'zwaaien' naar elkaar, zoals Zhang het zegt. Elektronen zullen naar een aangrenzend atoom leunen. In deze fase, als je een elektron vindt dat naar een van zijn buren neigt, je zult zien dat dat naburige elektron in ruil daarvoor reageert. Dit patroon van naar elkaar neigende elektronenparen zal zich in beide richtingen voortzetten.

Door de waterstofatomen nog dichter bij elkaar te brengen, de onderzoekers ontdekten dat de waterstofketen veranderde van een isolator in een metaal met elektronen die vrij tussen atomen bewegen. Onder een eenvoudig model van op elkaar inwerkende deeltjes, bekend als het eendimensionale Hubbard-model, deze overgang zou niet mogen gebeuren, omdat elektronen elkaar voldoende elektrisch moeten afstoten om beweging te beperken. In de jaren 1960, De Britse natuurkundige Nevill Mott voorspelde het bestaan ​​van een overgang van isolator naar metaal op basis van een mechanisme met zogenaamde excitonen, elk bestaat uit een elektron dat probeert los te komen van zijn atoom en het gat dat het achterlaat. Mott stelde een abrupte overgang voor, aangedreven door het uiteenvallen van deze excitonen - iets wat de nieuwe waterstofketenstudie niet zag.

In plaats daarvan, de onderzoekers ontdekten een meer genuanceerde overgang van isolator naar metaal. Naarmate de atomen dichter bij elkaar komen, elektronen worden geleidelijk afgepeld van de strak gebonden binnenkern rond de protonlijn en worden een dunne 'damp' die slechts losjes aan de lijn is gebonden en interessante magnetische structuren vertoont.

De oneindige waterstofketen zal in de toekomst een belangrijke maatstaf zijn bij de ontwikkeling van computationele methoden, zegt Zhang. Wetenschappers kunnen de keten modelleren met behulp van hun methoden en hun resultaten op nauwkeurigheid en efficiëntie toetsen aan de nieuwe studie.

Het nieuwe werk is een sprong voorwaarts in de zoektocht om computationele methoden te gebruiken om realistische materialen te modelleren, zeggen de onderzoekers. In de jaren 1960, De Britse natuurkundige Neil Ashcroft stelde voor dat metallische waterstof, bijvoorbeeld, zou een hoge-temperatuur-supergeleider kunnen zijn. Hoewel de eendimensionale waterstofketen niet in de natuur bestaat (hij zou in een driedimensionale structuur verkruimelen), de onderzoekers zeggen dat de lessen die ze hebben geleerd een cruciale stap voorwaarts zijn in de ontwikkeling van de methoden en fysiek begrip die nodig zijn om nog realistischere materialen aan te pakken.