Um grupo de pesquisadores da Michigan State University (MSU) especializados em cálculos quânticos propôs uma abordagem computacional radicalmente nova para resolver a complexa equação de Schrödinger de muitas partículas que contém a chave para explicar o movimento dos elétrons em átomos e moléculas.

Ao compreender os detalhes desse movimento, pode-se determinar a quantidade de energia necessária para transformar reagentes em produtos em uma reação química, ou a cor da luz absorvida por uma molécula, e, finalmente, acelerar o design de novos medicamentos e materiais, melhores catalisadores e fontes de energia mais eficientes.

O trabalho, liderado por Piotr Piecuch, um distinto professor da Universidade no Departamento de Química da MSU e um professor adjunto do Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências Naturais, foi publicado na edição de 1º de dezembro da Cartas de revisão física . Também estão envolvidos no trabalho o estudante de graduação do quarto ano J. Emiliano Deustua e o associado sênior de pós-doutorado Jun Shen. O grupo fornece detalhes para uma nova maneira de obter energias eletrônicas de alta precisão pela fusão das abordagens determinística de agrupamento acoplado e estocástica Quantum Monte Carlo.

Embora a teoria matemática geral do mundo microscópico da mecânica quântica esteja bem estabelecida, os desafios têm se centrado em resolver as complicadas equações nascidas da aplicação exata das leis. A equação de Schrödinger de muitas partículas está no cerne do problema.

"Em vez de insistir em uma única filosofia ao resolver a equação de Schrödinger eletrônica, que tem sido historicamente determinística ou estocástica, nós escolhemos uma terceira via, "Piecuch disse." Como um dos revisores observou, a essência disso é extremamente simples:use a abordagem estocástica para determinar o que é importante e a abordagem determinística para determinar o que é importante, enquanto corrige as informações perdidas pela amostragem estocástica. "

Seu novo método exibe convergência rápida em direção à energética eletrônica molecular alvo com base nas informações extraídas dos estágios iniciais das propagações da função de onda de Monte Carlo, reduzindo custos computacionais em ordens de magnitude.

Resolver a equação de Schrödinger para a função de onda de muitos elétrons tem sido um desafio chave na química quântica por décadas. Qualquer coisa que não seja um problema de um elétron, como um átomo de hidrogênio, requer o recurso a métodos numéricos, convertidos em sofisticados programas de computador, como os desenvolvidos por Piecuch e seu grupo. A principal dificuldade tem sido a complexidade intrínseca do movimento eletrônico, que os químicos quânticos e físicos chamam de "correlação eletrônica".

A nova ideia é usar os métodos estocásticos, desenvolvido por Ali Alavi, professor de química na Universidade de Cambridge e diretor do Grupo de Teoria da Estrutura Eletrônica no Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido em Stuttgart; George H. Booth, Royal Society Research Fellow no King's College London; e Alex J. W. Thom, Royal Society Research Fellow na Universidade de Cambridge, para identificar os principais componentes da função de onda e os cálculos determinísticos de cluster acoplado, combinado com correções de energia adequadas, para fornecer as informações que faltam.

"É como jogar xadrez e ser capaz de prever o resultado do jogo após os poucos movimentos iniciais, "Deustua disse.

As descobertas podem impactar profundamente os cálculos quânticos de átomos e moléculas, e outros sistemas de muitos elétrons.

A fusão de abordagens determinísticas e estocásticas como um método geral de resolver a equação de Schrödinger de muitas partículas também pode impactar outras áreas, como a física nuclear.

“No caso dos núcleos, em vez de se preocupar com os elétrons, alguém usaria nossa nova abordagem para resolver a equação de Schrödinger para prótons e nêutrons, "Piecuch disse." As questões matemáticas e computacionais são semelhantes. Assim como os químicos querem entender a estrutura eletrônica de uma molécula, os físicos nucleares querem desvendar a estrutura do núcleo atômico. Mais uma vez, resolver a equação de Schrödinger de muitas partículas é a chave. "