Una cadena infinita de átomos de hidrógeno es casi el material a granel más simple imaginable:una línea interminable de protones rodeada de electrones. Sin embargo, un nuevo estudio computacional que combina cuatro métodos de vanguardia encuentra que el material modesto cuenta con propiedades cuánticas fantásticas y sorprendentes.

Calculando las consecuencias de cambiar el espacio entre los átomos, un equipo internacional de investigadores del Instituto Flatiron y la Colaboración Simons sobre el Problema de Muchos Electrones descubrió que las propiedades de la cadena de hidrógeno pueden variar de formas inesperadas y drásticas. Eso incluye la transformación de la cadena de un aislante magnético en un metal, los investigadores informan el 14 de septiembre en Revisión física X .

Los métodos computacionales utilizados en el estudio representan un paso significativo hacia el diseño personalizado de materiales con propiedades buscadas. como la posibilidad de una superconductividad a alta temperatura en la que los electrones fluyen libremente a través de un material sin perder energía, dice el autor principal del estudio, Shiwei Zhang. Zhang es un científico investigador senior en el Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) en el Instituto Flatiron de la Fundación Simons en la ciudad de Nueva York.

"El objetivo principal era aplicar nuestras herramientas a una situación realista, "Dice Zhang." Casi como un producto secundario, descubrimos toda esta interesante física de la cadena de hidrógeno. No pensamos que sería tan rico como resultó ".

Zhang, quien también es profesor rector de física en el College of William and Mary, codirigió la investigación con Mario Motta de IBM Quantum. Motta se desempeña como primer autor del artículo junto con Claudio Genovese de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) en Italia, Fengjie Ma de la Universidad Normal de Beijing, Zhi-Hao Cui del Instituto de Tecnología de California, y Randy Sawaya de la Universidad de California, Irvine. Otros coautores incluyen al codirector de CCQ, Andrew Millis, Hao Shi, becario de investigación de CCQ Flatiron, y Miles Stoudenmire, científico investigador de CCQ.

La larga lista de autores del artículo (17 coautores en total) es poco común para el campo, Dice Zhang. Los métodos a menudo se desarrollan dentro de grupos de investigación individuales. El nuevo estudio reúne muchos métodos y grupos de investigación para combinar fuerzas y abordar un problema particularmente espinoso. "El siguiente paso en el campo es avanzar hacia problemas más realistas, "dice Zhang, "y no faltan estos problemas que requieren colaboración".

Si bien los métodos convencionales pueden explicar las propiedades de algunos materiales, otros materiales, como cadenas de hidrógeno infinitas, plantean un obstáculo computacional más abrumador. Eso es porque el comportamiento de los electrones en esos materiales está fuertemente influenciado por las interacciones entre electrones. A medida que los electrones interactúan, se entrelazan mecánicamente cuántica entre sí. Una vez enredado, los electrones ya no pueden tratarse individualmente, incluso cuando están físicamente separados.

La gran cantidad de electrones en un material a granel, aproximadamente 100 mil millones de billones por gramo, significa que los métodos convencionales de fuerza bruta ni siquiera pueden acercarse a proporcionar una solución. La cantidad de electrones es tan grande que es prácticamente infinita cuando se piensa en la escala cuántica.

Agradecidamente, Los físicos cuánticos han desarrollado métodos inteligentes para abordar este problema de muchos electrones. El nuevo estudio combina cuatro de estos métodos:Monte Carlo variacional, Monte Carlo de difusión regularizada en celosía, Monte Carlo cuántico de campo auxiliar, y grupo de renormalización de matriz de densidad estándar y en rodajas. Cada uno de estos métodos de vanguardia tiene sus fortalezas y debilidades. Usarlos en paralelo y en conjunto proporciona una imagen más completa, Dice Zhang.

Investigadores incluidos los autores del nuevo estudio, Usó previamente esos métodos en 2017 para calcular la cantidad de energía que tiene cada átomo en una cadena de hidrógeno en función del espaciado de la cadena. Este cálculo, conocida como la ecuación de estado, no proporciona una imagen completa de las propiedades de la cadena. Al perfeccionar aún más sus métodos, los investigadores hicieron precisamente eso.

En grandes separaciones, los investigadores encontraron que los electrones permanecen confinados a sus respectivos protones. Incluso a distancias tan grandes, los electrones todavía "se conocen" entre sí y se entrelazan. Debido a que los electrones no pueden saltar de un átomo a otro tan fácilmente, la cadena actúa como aislante eléctrico.

A medida que los átomos se acercan, los electrones intentan formar moléculas de dos átomos de hidrógeno cada una. Debido a que los protones están fijos en su lugar, estas moléculas no se pueden formar. En lugar de, los electrones se `` ondulan '' entre sí, como dice Zhang. Los electrones se inclinarán hacia un átomo adyacente. En esta fase, si encuentra un electrón inclinado hacia uno de sus vecinos, encontrará que el electrón vecino responde a cambio. Este patrón de pares de electrones que se inclinan el uno hacia el otro continuará en ambas direcciones.

Moviendo los átomos de hidrógeno aún más juntos, Los investigadores descubrieron que la cadena de hidrógeno se transformó de un aislante en un metal con electrones moviéndose libremente entre los átomos. Bajo un modelo simple de partículas que interactúan conocido como modelo Hubbard unidimensional, esta transición no debería suceder, ya que los electrones deben repelerse eléctricamente entre sí lo suficiente como para restringir el movimiento. En los años 1960, El físico británico Nevill Mott predijo la existencia de una transición de aislante a metal basada en un mecanismo que involucra los llamados excitones, cada uno formado por un electrón que intenta liberarse de su átomo y del agujero que deja atrás. Mott propuso una transición abrupta impulsada por la ruptura de estos excitones, algo que el nuevo estudio de la cadena de hidrógeno no vio.

En lugar de, los investigadores descubrieron una transición de aislante a metal más matizada. A medida que los átomos se acercan, los electrones se desprenden gradualmente del núcleo interno fuertemente ligado alrededor de la línea de protones y se convierten en un delgado "vapor" solo débilmente ligado a la línea y mostrando interesantes estructuras magnéticas.

La cadena infinita de hidrógeno será un punto de referencia clave en el futuro en el desarrollo de métodos computacionales, Dice Zhang. Los científicos pueden modelar la cadena utilizando sus métodos y verificar la precisión y eficiencia de sus resultados con el nuevo estudio.

El nuevo trabajo es un salto adelante en la búsqueda de utilizar métodos computacionales para modelar materiales realistas. dicen los investigadores. En los años 1960, El físico británico Neil Ashcroft propuso que el hidrógeno metálico, por ejemplo, podría ser un superconductor de alta temperatura. Si bien la cadena de hidrógeno unidimensional no existe en la naturaleza (se desmoronaría en una estructura tridimensional), Los investigadores dicen que las lecciones que aprendieron son un paso crucial en el desarrollo de los métodos y la comprensión física necesarios para abordar materiales aún más realistas.