Uma cadeia infinita de átomos de hidrogênio é praticamente o material a granel mais simples imaginável - uma linha única de prótons sem fim, cercada por elétrons. No entanto, um novo estudo computacional combinando quatro métodos de ponta descobre que o modesto material possui propriedades quânticas fantásticas e surpreendentes.

Calculando as consequências de alterar o espaçamento entre os átomos, uma equipe internacional de pesquisadores do Flatiron Institute e da Simons Collaboration on the Many Electron Problem descobriu que as propriedades da cadeia de hidrogênio podem variar de maneiras inesperadas e drásticas. Isso inclui a transformação da cadeia de um isolador magnético em um metal, os pesquisadores relatam 14 de setembro em Revisão Física X .

Os métodos computacionais usados ​​no estudo apresentam um passo significativo em direção a materiais de design personalizado com propriedades procuradas, como a possibilidade de supercondutividade de alta temperatura na qual os elétrons fluem livremente através de um material sem perder energia, diz o autor sênior do estudo, Shiwei Zhang. Zhang é um cientista pesquisador sênior do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron da Simons Foundation na cidade de Nova York.

"O objetivo principal era aplicar nossas ferramentas a uma situação realista, "Diz Zhang." Quase como um produto secundário, descobrimos toda essa física interessante da cadeia de hidrogênio. Não pensamos que seria tão rico quanto acabou sendo. "

Zhang, que também é professor chanceler de física no College of William and Mary, co-liderou a pesquisa com Mario Motta da IBM Quantum. Motta é o primeiro autor do artigo ao lado de Claudio Genovese, da International School for Advanced Studies (SISSA) na Itália, Fengjie Ma da Universidade Normal de Pequim, Zhi-Hao Cui, do California Institute of Technology, e Randy Sawaya da Universidade da Califórnia, Irvine. Outros co-autores incluem o co-diretor do CCQ, Andrew Millis, Hao Shi, pesquisador do CCQ Flatiron, e Miles Stoudenmire, cientista pesquisador do CCQ.

A longa lista de autores do artigo - 17 co-autores no total - é incomum para o campo, Zhang diz. Os métodos são freqüentemente desenvolvidos em grupos de pesquisa individuais. O novo estudo reúne muitos métodos e grupos de pesquisa para combinar forças e resolver um problema particularmente espinhoso. "O próximo passo no campo é avançar em direção a problemas mais realistas, "diz Zhang, "e não faltam esses problemas que exigem colaboração."

Embora os métodos convencionais possam explicar as propriedades de alguns materiais, outros materiais, como cadeias infinitas de hidrogênio, representam um obstáculo computacional mais assustador. Isso porque o comportamento dos elétrons nesses materiais é fortemente influenciado pelas interações entre os elétrons. À medida que os elétrons interagem, eles se tornam mecanicamente quânticos emaranhados uns com os outros. Uma vez enredado, os elétrons não podem mais ser tratados individualmente, mesmo quando eles estão fisicamente separados.

O grande número de elétrons em um material a granel - cerca de 100 bilhões de trilhões por grama - significa que os métodos convencionais de força bruta nem chegam perto de fornecer uma solução. O número de elétrons é tão grande que é praticamente infinito quando pensamos na escala quântica.

Agradecidamente, os físicos quânticos desenvolveram métodos inteligentes para lidar com esse problema de muitos elétrons. O novo estudo combina quatro desses métodos:Monte Carlo variacional, difusão regularizada em rede Monte Carlo, Monte Carlo quântico de campo auxiliar, e grupo de renormalização de matriz de densidade padrão e fatiado. Cada um desses métodos de ponta tem seus pontos fortes e fracos. Usá-los em paralelo e em conjunto fornece uma imagem mais completa, Zhang diz.

Pesquisadores, incluindo os autores do novo estudo, usou anteriormente esses métodos em 2017 para calcular a quantidade de energia que cada átomo em uma cadeia de hidrogênio tem em função do espaçamento da cadeia. Este cálculo, conhecida como a equação de estado, não fornece uma imagem completa das propriedades da rede. Aprimorando ainda mais seus métodos, os pesquisadores fizeram exatamente isso.

Em grandes separações, os pesquisadores descobriram que os elétrons permanecem confinados a seus respectivos prótons. Mesmo em distâncias tão grandes, os elétrons ainda "sabem" uns sobre os outros e ficam emaranhados. Como os elétrons não podem pular de átomo em átomo tão facilmente, a corrente atua como um isolante elétrico.

À medida que os átomos se aproximam, os elétrons tentam formar moléculas de dois átomos de hidrogênio cada. Como os prótons estão fixos no lugar, essas moléculas não podem se formar. Em vez de, os elétrons 'ondulam' uns para os outros, como diz Zhang. Os elétrons se inclinarão em direção a um átomo adjacente. Nesta fase, se você encontrar um elétron inclinado em direção a um de seus vizinhos, você descobrirá que o elétron vizinho responde em troca. Esse padrão de pares de elétrons inclinados um em direção ao outro continuará em ambas as direções.

Movendo os átomos de hidrogênio ainda mais próximos, os pesquisadores descobriram que a cadeia de hidrogênio se transformou de um isolante em um metal com elétrons movendo-se livremente entre os átomos. Sob um modelo simples de partículas interagindo conhecido como modelo de Hubbard unidimensional, esta transição não deveria acontecer, já que os elétrons deveriam se repelir eletricamente o suficiente para restringir o movimento. Na década de 1960, O físico britânico Nevill Mott previu a existência de uma transição isolante-metal baseada em um mecanismo envolvendo os chamados excitons, cada um consistindo de um elétron tentando se libertar de seu átomo e do buraco que ele deixa para trás. Mott propôs uma transição abrupta impulsionada pela quebra desses excitons - algo que o novo estudo da cadeia de hidrogênio não viu.

Em vez de, os pesquisadores descobriram uma transição de isolador para metal com mais nuances. À medida que os átomos se aproximam, os elétrons são gradualmente removidos do núcleo interno fortemente ligado ao redor da linha de prótons e se tornam um "vapor" fino apenas vagamente ligado à linha, exibindo estruturas magnéticas interessantes.

A cadeia infinita de hidrogênio será uma referência chave no futuro no desenvolvimento de métodos computacionais, Zhang diz. Os cientistas podem modelar a cadeia usando seus métodos e verificar seus resultados quanto à precisão e eficiência em relação ao novo estudo.

O novo trabalho é um salto na busca de utilizar métodos computacionais para modelar materiais realistas, dizem os pesquisadores. Na década de 1960, O físico britânico Neil Ashcroft propôs que o hidrogênio metálico, por exemplo, pode ser um supercondutor de alta temperatura. Embora a cadeia de hidrogênio unidimensional não exista na natureza (ela se dobraria em uma estrutura tridimensional), os pesquisadores dizem que as lições que aprenderam são um passo crucial no desenvolvimento dos métodos e compreensão física necessários para lidar com materiais ainda mais realistas.