(Phys.org) - Pela primeira vez, os cientistas determinaram a equação de estado de uma cadeia infinita de átomos de hidrogênio, que diz a quantidade de energia que cada átomo de hidrogênio tem, dado o comprimento da ligação entre átomos adjacentes.

Mas o que é ainda mais interessante para os cientistas do que o próprio resultado é como eles o alcançaram:usando cerca de 20 métodos computacionais de última geração que foram desenvolvidos recentemente para analisar sistemas de muitos elétrons. Os novos resultados oferecem um primeiro vislumbre do que esses métodos podem oferecer para compreender e prever as propriedades de muitos materiais complexos, e, finalmente, projetar materiais completamente novos.

Os químicos e físicos por trás do novo estudo são membros da Colaboração Simons no Problema de Muitos Elétrons, cujo objetivo final é encontrar métodos para modelar e compreender sistemas de muitos elétrons. Estes são basicamente quaisquer sistemas que - como uma cadeia infinita de átomos de hidrogênio - contêm um grande número de átomos ou moléculas, e, Portanto, muitos elétrons.

As interações elétron-elétron desempenham um grande papel na determinação das propriedades de um material, por exemplo, quão bem ele conduz eletricidade e quão duro ou macio é. Esta informação é crítica para iniciativas futuras nas quais os pesquisadores projetam novos materiais com propriedades desejadas específicas. Embora seja relativamente fácil modelar sistemas com alguns elétrons, conforme o número de elétrons cresce, o número de estados possíveis que um sistema pode ocupar cresce exponencialmente. Modelar tais sistemas torna-se cada vez mais difícil, uma vez que os efeitos da interação do elétron são tão fortes que mesmo as melhores teorias do elétron independente se quebram.

Para modelar sistemas de muitos elétrons, pesquisadores desenvolveram vários métodos computacionais de muitos elétrons que contam com conceitos avançados em matemática e ciência da computação, como a teoria de incorporação de cluster, Métodos de Monte Carlo, e redes de tensores. Mas por enquanto, não existe nenhum método que possa tratar todos os sistemas de muitos elétrons sistematicamente com alta precisão e baixo custo computacional.

No novo estudo, os cientistas usaram uma cadeia linear de átomos de hidrogênio como o primeiro sistema de referência para testar muitos desses novos métodos teóricos. Ao aplicar aproximadamente 20 dos métodos mais novos ao mesmo problema, os cientistas foram capazes de validar e verificar os resultados de cada método. Embora todo o processo fosse computacionalmente complexo, permitiu aos cientistas combinar os pontos fortes de métodos complementares e determinar a energia por átomo com um alto grau de precisão. Eles poderiam então comparar a precisão dos métodos individuais, o que revelou que muitos dos novos métodos alcançaram um alto grau de precisão por si próprios.

"Existem várias facetas neste trabalho, "Shiwei Zhang, um professor de física do College of William and Mary e o autor correspondente do artigo, contado Phys.org . "Produziu muitos dados e comparações, como um estudo de referência foi projetado para fazer. Também estimulou muitos desenvolvimentos algorítmicos nos diferentes métodos, que resultou das interações e da 'competição amigável'. Talvez menos óbvio, mas o mais importante:reuniu pessoas e algoritmos, ajudou a focar o campo, e incentivou a comunidade a trabalhar sinergicamente da maneira mais produtiva. "

Os cientistas estão disponibilizando a grande quantidade de dados produzidos neste estudo para outros pesquisadores, que em breve estará disponível aqui. Eles esperam que os dados sejam úteis para analisar os métodos computacionais, comparando novos métodos, estudando outros sistemas de muitos elétrons, e obter uma compreensão mais profunda de muitas áreas da física da matéria condensada, química quântica, e ciência dos materiais, entre outros campos.

"Um objetivo de curto prazo é determinar as propriedades da cadeia de hidrogênio, "Zhang disse." Surpreendentemente, mesmo neste material relativamente simples, 'há questões importantes para as quais não temos respostas definitivas. Calculamos a equação de estado. Mas, por exemplo, quais são as propriedades elétricas e magnéticas?

"De forma geral, gostaríamos de expandir esses estudos de referência para materiais mais complexos. Continuaremos a desenvolver nossos métodos computacionais e software. E, claro, gostaríamos de aplicá-los para resolver os problemas mais desafiadores de muitos elétrons em moléculas e sólidos importantes para a ciência e a tecnologia. "

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