(Phys.org) - För första gången, forskare har bestämt tillståndsekvationen för en oändlig kedja av väteatomer, som anger mängden energi varje väteatom har, med tanke på bindningslängden mellan intilliggande atomer.

Men det som är ännu mer intressant för forskarna än själva resultatet är hur de uppnådde det:genom att använda ett 20-tal toppmoderna beräkningsmetoder som nyligen har utvecklats för att analysera mångelektronsystem. De nya resultaten ger en första glimt av vad dessa metoder kan erbjuda för att förstå och förutsäga egenskaperna hos många komplexa material, och i slutändan designa helt nya material.

Kemisterna och fysikerna bakom den nya studien är medlemmar i Simons Collaboration on the Many-Electron Problem, vars yttersta mål är att hitta metoder för att modellera och förstå många elektronsystem. Dessa är i princip alla system som - som en oändlig kedja av väteatomer - innehåller ett stort antal atomer eller molekyler, och, därför, många elektroner.

Elektron-elektroninteraktioner spelar en stor roll för att bestämma ett materials egenskaper, till exempel hur bra den leder elektricitet och hur hård eller mjuk den är. Denna information är avgörande för framtida initiativ där forskare utformar nya material med specifika önskade egenskaper. Även om det är relativt enkelt att modellera system med några elektroner, när antalet elektroner växer, antalet möjliga stater som ett system kan uppta växer exponentiellt. Att modellera sådana system blir då allt svårare, eftersom elektroninteraktionseffekterna är så starka att även de bästa oberoende elektronteorierna bryts ner.

För att modellera många elektronsystem, forskare har utvecklat flera beräkningsmetoder med många elektroner som bygger på avancerade koncept inom matematik och datavetenskap, såsom teori om inbäddning av kluster, Monte Carlo -metoder, och tensornätverk. Men hittills, det finns ingen metod som kan behandla alla många elektronsystem systematiskt med hög noggrannhet och låga beräkningskostnader.

I den nya studien, forskarna använde en linjär kedja av väteatomer som det första riktmärkesystemet för att testa många av dessa nya teoretiska metoder. Genom att tillämpa ungefär 20 av de nyaste metoderna på samma problem, forskarna kunde validera och korskontrollera resultaten av varje metod. Även om hela processen var beräknat komplex, det gjorde det möjligt för forskarna att kombinera styrkorna i komplementära metoder och bestämma energin per atom till en hög grad av noggrannhet. De kunde sedan jämföra enskilda metoders noggrannhet, vilket avslöjade att många av de nya metoderna uppnådde en hög noggrannhet av sig själva.

"Det finns flera aspekter av detta arbete, "Shiwei Zhang, en fysikprofessor vid College of William and Mary och tidningens motsvarande författare, berättade Phys.org . "Det gav omfattande data och jämförelser, som en jämförelse studie var utformad för att göra. Det stimulerade också många algoritmiska utvecklingar i de olika metoderna, vilket berodde på interaktioner och "vänlig konkurrens". Kanske mindre uppenbart men viktigast:det sammanförde människor och algoritmer, hjälpte till att fokusera fältet, och drev samhället att arbeta synergistiskt på de mest produktiva sätten. "

Forskarna gör den stora mängden data som produceras i denna studie tillgänglig för andra forskare, som snart kommer att finnas här. De förväntar sig att data kommer att vara användbara för att analysera beräkningsmetoderna, benchmarking nya metoder, studera andra många-elektron-system, och få en djupare förståelse för många områden genom hela kondensmaterialets fysik, kvantkemi, och materialvetenskap, bland andra områden.

"Ett kortsiktigt mål är att bestämma vätekedjans egenskaper, "Sade Zhang." Överraskande nog, även i detta relativt enkla material, Det finns viktiga frågor som vi inte har definitiva svar på. Vi har beräknat statens ekvation. Men, till exempel, vad är de elektriska och magnetiska egenskaperna?

"Mer allmänt, vi skulle vilja utöka sådana riktmärkesstudier till mer komplexa material. Vi kommer att fortsätta utveckla våra beräkningsmetoder och programvara. Och naturligtvis skulle vi vilja tillämpa dem för att hantera de mest utmanande problemen med många elektroner i molekyler och fasta ämnen som är viktiga för vetenskap och teknik. "

© 2017 Phys.org