Crédito:Universidad Estatal de Michigan
Un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) que se especializan en cálculos cuánticos ha propuesto un enfoque computacional radicalmente nuevo para resolver la compleja ecuación de Schrödinger de muchas partículas que es la clave para explicar el movimiento de los electrones en átomos y moléculas.
Al comprender los detalles de este movimiento, se puede determinar la cantidad de energía necesaria para transformar los reactivos en productos en una reacción química, o el color de la luz absorbida por una molécula, y, en última instancia, acelerar el diseño de nuevos fármacos y materiales, mejores catalizadores y fuentes de energía más eficientes.
La obra, dirigido por Piotr Piecuch, un profesor universitario distinguido en el Departamento de Química de MSU y un profesor adjunto en el Departamento de Física y Astronomía en la Facultad de Ciencias Naturales, fue publicado en la edición del 1 de diciembre de Cartas de revisión física . También participan en el trabajo el estudiante graduado de cuarto año J. Emiliano Deustua y el asociado postdoctoral senior Jun Shen. El grupo proporciona detalles para una nueva forma de obtener energías electrónicas de alta precisión mediante la fusión de los enfoques determinista de clúster acoplado y estocásticos Quantum Monte Carlo.
Aunque la teoría matemática general del mundo microscópico de la mecánica cuántica está bien establecida, los desafíos se han centrado en resolver las complicadas ecuaciones que nacen de la aplicación exacta de las leyes. La ecuación de Schrödinger de muchas partículas está en el centro del problema.
"En lugar de insistir en una sola filosofía al resolver la ecuación electrónica de Schrödinger, que históricamente ha sido determinista o estocástica, hemos elegido una tercera vía, "Dijo Piecuch". Como señaló uno de los revisores, la esencia de esto es notablemente simple:use el enfoque estocástico para determinar qué es importante y el enfoque determinista para determinar lo importante, mientras se corrige la información perdida por el muestreo estocástico ".
Su nuevo método muestra una rápida convergencia hacia la energía electrónica molecular objetivo basada en la información extraída de las primeras etapas de la propagación de la función de onda de Monte Carlo. reduciendo los costos computacionales en órdenes de magnitud.
Rápida convergencia del nuevo enfoque hacia la energía CCSDT de clúster acoplado objetivo para la molécula de flúor casi disociada (cuadrados negros y línea). La línea verde muestra la ejecución CCSDT de Monte Carlo (MC). Los círculos rojos y la línea muestran los cálculos utilizando la información extraída de MC antes de aplicar la corrección de energía final. Crédito:Universidad Estatal de Michigan
Resolver la ecuación de Schrödinger para la función de onda de muchos electrones ha sido un desafío clave en la química cuántica durante décadas. Cualquier otra cosa que no sea un problema de un electrón, como un átomo de hidrógeno, requiere recurrir a métodos numéricos, convertidos en sofisticados programas informáticos, como los desarrollados por Piecuch y su grupo. La principal dificultad ha sido la complejidad intrínseca del movimiento electrónico, que los químicos y físicos cuánticos llaman "correlación de electrones".
La nueva idea es utilizar los métodos estocásticos, desarrollado por Ali Alavi, profesor de química en la Universidad de Cambridge y director del Grupo de Teoría de la Estructura Electrónica en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart; George H. Booth, Becario de investigación de la Royal Society en el King's College de Londres; y Alex J. W. Thom, Investigador de la Royal Society en la Universidad de Cambridge, para identificar los componentes principales de la función de onda y los cálculos deterministas de clústeres acoplados, combinado con correcciones energéticas adecuadas, para proporcionar la información que falta.
"Es como jugar al ajedrez y poder predecir el resultado del juego después de los primeros movimientos, "Dijo Deustua.
Los hallazgos pueden impactar profundamente los cálculos cuánticos para átomos y moléculas, y otros sistemas de muchos electrones.
La fusión de enfoques deterministas y estocásticos como método general para resolver la ecuación de Schrödinger de muchas partículas también puede afectar otras áreas, como la física nuclear.
"En el caso de los núcleos, en lugar de preocuparse por los electrones, uno usaría nuestro nuevo enfoque para resolver la ecuación de Schrödinger para protones y neutrones, "Dijo Piecuch." Los problemas matemáticos y computacionales son similares. Al igual que los químicos quieren comprender la estructura electrónica de una molécula, Los físicos nucleares quieren desentrañar la estructura del núcleo atómico. Una vez más, resolver la ecuación de Schrödinger de muchas partículas es la clave ".
