(Phys.org):por primera vez, los científicos han determinado la ecuación de estado de una cadena infinita de átomos de hidrógeno, que indica la cantidad de energía que tiene cada átomo de hidrógeno, dada la longitud del enlace entre átomos adyacentes.

Pero lo que es aún más interesante para los científicos que el resultado en sí es cómo lo lograron:utilizando aproximadamente 20 métodos computacionales de última generación que se han desarrollado recientemente para analizar sistemas de muchos electrones. Los nuevos resultados ofrecen un primer vistazo de lo que estos métodos pueden ofrecer para comprender y predecir las propiedades de muchos materiales complejos. y finalmente diseñar materiales completamente nuevos.

Los químicos y físicos detrás del nuevo estudio son miembros de la Colaboración Simons sobre el Problema de Muchos Electrones, cuyo objetivo final es encontrar métodos para modelar y comprender sistemas de muchos electrones. Estos son básicamente cualquier sistema que, como una cadena infinita de átomos de hidrógeno, contenga una gran cantidad de átomos o moléculas, y, por lo tanto, muchos electrones.

Las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante en la determinación de las propiedades de un material, como qué tan bien conduce la electricidad y qué tan duro o blando es. Esta información es fundamental para futuras iniciativas en las que los investigadores diseñen nuevos materiales con propiedades específicas deseadas. Aunque es relativamente fácil modelar sistemas con unos pocos electrones, a medida que aumenta el número de electrones, el número de estados posibles que puede ocupar un sistema crece exponencialmente. Modelar tales sistemas se vuelve cada vez más difícil, ya que los efectos de la interacción de los electrones son tan fuertes que incluso las mejores teorías de los electrones independientes fracasan.

Para modelar sistemas de muchos electrones, Los investigadores han desarrollado varios métodos computacionales de muchos electrones que se basan en conceptos avanzados en matemáticas e informática. como la teoría de incrustación de clústeres, Métodos de Montecarlo, y redes tensoriales. Pero hasta ahora, no existe ningún método que pueda tratar sistemáticamente todos los sistemas de muchos electrones con alta precisión y bajo costo computacional.

En el nuevo estudio, los científicos utilizaron una cadena lineal de átomos de hidrógeno como primer sistema de referencia para probar muchos de estos nuevos métodos teóricos. Al aplicar aproximadamente 20 de los métodos más nuevos al mismo problema, los científicos pudieron validar y verificar los resultados de cada método. Aunque todo el proceso fue computacionalmente complejo, permitió a los científicos combinar los puntos fuertes de los métodos complementarios y determinar la energía por átomo con un alto grado de precisión. Luego podrían comparar la precisión de los métodos individuales, lo que reveló que muchos de los nuevos métodos lograron un alto grado de precisión por sí mismos.

"Hay varias facetas de este trabajo, "Shiwei Zhang, profesor de física en el College of William and Mary y autor correspondiente del artículo, dicho Phys.org . "Produjo una gran cantidad de datos y comparaciones, como se diseñó un estudio de referencia. También estimuló muchos desarrollos algorítmicos en los diferentes métodos, que resultó de las interacciones y la "competencia amistosa". Quizás menos obvio, pero lo más importante:reunió a personas y algoritmos, ayudó a enfocar el campo, e impulsó a la comunidad a trabajar sinérgicamente de la manera más productiva ".

Los científicos están poniendo a disposición de otros investigadores la gran cantidad de datos producidos en este estudio, que pronto estará disponible aquí. Esperan que los datos sean útiles para analizar los métodos computacionales, evaluación comparativa de nuevos métodos, estudiar otros sistemas de muchos electrones, y obtener una comprensión más profunda de muchas áreas a lo largo de la física de la materia condensada, química cuántica, y ciencia de materiales, entre otros campos.

"Un objetivo a corto plazo es determinar las propiedades de la cadena de hidrógeno, ", Dijo Zhang." Sorprendentemente, incluso en este material relativamente simple, 'hay preguntas importantes para las que no tenemos respuestas definitivas. Hemos calculado la ecuación de estado. Pero, por ejemplo, ¿Cuáles son las propiedades eléctricas y magnéticas?

"Más generalmente, nos gustaría ampliar dichos estudios de referencia a materiales más complejos. Continuaremos desarrollando nuestros métodos computacionales y software. Y, por supuesto, nos gustaría aplicarlos para abordar los problemas de muchos electrones más desafiantes en moléculas y sólidos importantes para la ciencia y la tecnología ".

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