En grupp forskare vid Michigan State University (MSU) som specialiserat sig på kvantberäkningar har föreslagit en radikalt ny beräkningsmetod för att lösa den komplexa Schrödinger-ekvationen med många partiklar som har nyckeln till att förklara elektronernas rörelse i atomer och molekyler.

Genom att förstå detaljerna i denna motion, man kan bestämma mängden energi som behövs för att omvandla reaktanter till produkter i en kemisk reaktion, eller ljusets färg som absorberas av en molekyl, och i slutändan påskynda designen av nya läkemedel och material, bättre katalysatorer och effektivare energikällor.

Arbetet, ledd av Piotr Piecuch, en universitetsutmärkad professor vid MSU Institutionen för kemi och en adjungerad professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid College of Natural Science, publicerades i 1 december -numret av Fysiska granskningsbrev . Också involverade i arbetet är fjärdeårs doktorand J. Emiliano Deustua och senior postdoktor Jun Shen. Gruppen tillhandahåller detaljer för ett nytt sätt att erhålla mycket exakta elektroniska energier genom att slå samman de deterministiska kopplade klustren och stokastiska Quantum Monte Carlo-tillvägagångssätten.

Även om den allmänna matematiska teorin om den mikroskopiska världen av kvantmekanik är väl etablerad, utmaningarna har varit centrerade på att lösa de komplicerade ekvationerna som härrör från den exakta tillämpningen av lagarna. Schrödingerekvationen med många partiklar är kärnan i problemet.

"Istället för att insistera på en enda filosofi när man löser den elektroniska Schrödinger -ekvationen, som historiskt har varit antingen deterministisk eller stokastisk, vi har valt ett tredje sätt, "Piecuch sa." Som en av granskarna noterade, essensen av det är anmärkningsvärt enkel:använd det stokastiska tillvägagångssättet för att bestämma vad som är viktigt och det deterministiska tillvägagångssättet för att bestämma det viktiga, samtidigt som jag korrigerar informationen som missats av stokastisk provtagning. "

Deras nya metod visar snabb konvergens mot målmolekylär elektronisk energi baserad på informationen som extraherats från de tidiga stadierna av Monte Carlo -vågfunktionsförökningarna, minska beräkningskostnaderna med storleksordningar.

Att lösa Schrödinger-ekvationen för funktionen med många elektronvågor har varit en viktig utmaning inom kvantkemi i decennier. Allt annat än ett elektronproblem, såsom en väteatom, kräver att man använder sig av numeriska metoder, konverteras till sofistikerade datorprogram, som de som utvecklats av Piecuch och hans grupp. Den största svårigheten har varit den elektroniska rörelsens inneboende komplexitet, som kvantkemister och fysiker kallar "elektronkorrelation".

Den nya tanken är att använda de stokastiska metoderna, utvecklad av Ali Alavi, professor i kemi vid University of Cambridge och chef för Electronic Structure Theory Group vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart; George H. Booth, Royal Society Research Fellow vid King's College London; och Alex J. W. Thom, Royal Society Research Fellow vid University of Cambridge, att identifiera de ledande vågfunktionskomponenterna och de deterministiska kopplingsklusterberäkningarna, i kombination med lämpliga energikorrigeringar, att lämna den saknade informationen.

"Det är som att spela schack och kunna förutspå resultatet av spelet efter de första dragningarna, "Sa Deustua.

Fynden kan ha stor inverkan på kvantberäkningar för atomer och molekyler, och andra system med många elektroner.

Sammanslagningen av deterministiska och stokastiska tillvägagångssätt som en allmän metod för att lösa Schrödinger-ekvationen med många partiklar kan också påverka andra områden, som kärnfysik.

"När det gäller kärnor, istället för att bry sig om elektroner, man skulle använda vårt nya tillvägagångssätt för att lösa Schrödinger -ekvationen för protoner och neutroner, "Piecuch sa." De matematiska och beräkningsfrågorna är liknande. Precis som kemister vill förstå den elektroniska strukturen i en molekyl, kärnfysiker vill riva upp atomkärnans struktur. Ännu en gång, lösa Schrödinger-ekvationen med många partiklar har nyckeln. "