En oändlig kedja av väteatomer är ungefär det enklaste bulkmaterialet man kan tänka sig – en oändlig enkelfilslinje av protoner omgiven av elektroner. Ändå finner en ny beräkningsstudie som kombinerar fyra banbrytande metoder att det blygsamma materialet har fantastiska och överraskande kvantegenskaper.

Genom att beräkna konsekvenserna av att ändra avståndet mellan atomerna, ett internationellt team av forskare från Flatiron Institute och Simons Collaboration on the Many Electron Problem fann att vätekedjans egenskaper kan varieras på oväntade och drastiska sätt. Det inkluderar att kedjan förvandlas från en magnetisk isolator till en metall, forskarna rapporterar 14 september in Fysisk granskning X .

De beräkningsmetoder som används i studien utgör ett viktigt steg mot att skräddarsy material med eftertraktade egenskaper, såsom möjligheten till högtemperatursupraledning där elektroner strömmar fritt genom ett material utan att förlora energi, säger studiens seniorförfattare Shiwei Zhang. Zhang är senior forskare vid Center for Computational Quantum Physics (CCQ) vid Simons Foundations Flatiron Institute i New York City.

"Huvudsyftet var att tillämpa våra verktyg i en realistisk situation, " säger Zhang. "Nästan som en biprodukt, vi upptäckte all denna intressanta fysik i vätekedjan. Vi trodde inte att det skulle vara så rikt som det visade sig vara."

Zhang, som också är kanslerprofessor i fysik vid College of William and Mary, ledde forskningen tillsammans med Mario Motta från IBM Quantum. Motta fungerar som första författare av artikeln tillsammans med Claudio Genovese från International School for Advanced Studies (SISSA) i Italien, Fengjie Ma vid Beijing Normal University, Zhi-Hao Cui från California Institute of Technology, och Randy Sawaya från University of California, Irvine. Ytterligare medförfattare inkluderar CCQs medregissör Andrew Millis, CCQ Flatiron-forskaren Hao Shi och CCQ-forskaren Miles Stoudenmire.

Tidningens långa författarlista – totalt 17 medförfattare – är ovanlig inom området, säger Zhang. Metoder utvecklas ofta inom enskilda forskargrupper. Den nya studien samlar många metoder och forskargrupper för att förena krafter och ta itu med ett särskilt besvärligt problem. "Nästa steg på området är att gå mot mer realistiska problem, säger Zhang, "och det finns ingen brist på dessa problem som kräver samarbete."

Medan konventionella metoder kan förklara egenskaperna hos vissa material, andra material, såsom oändliga vätekedjor, utgör ett mer skrämmande beräkningshinder. Det beror på att beteendet hos elektronerna i dessa material påverkas kraftigt av interaktioner mellan elektroner. När elektroner interagerar, de blir kvantmekaniskt intrasslade med varandra. En gång intrasslad, elektronerna kan inte längre behandlas individuellt, även när de är fysiskt åtskilda.

Det stora antalet elektroner i ett bulkmaterial - ungefär 100 miljarder biljoner per gram - betyder att konventionella brute force-metoder inte ens kan komma i närheten av att ge en lösning. Antalet elektroner är så stort att det är praktiskt taget oändligt när man tänker på kvantskalan.

Tack och lov, kvantfysiker har utvecklat smarta metoder för att ta itu med detta många-elektronproblem. Den nya studien kombinerar fyra sådana metoder:variationsmässig Monte Carlo, gitterreglerad diffusion Monte Carlo, hjälpfältskvantum Monte Carlo, och standard- och skivad-baserad densitetsmatrisrenormaliseringsgrupp. Var och en av dessa banbrytande metoder har sina styrkor och svagheter. Att använda dem parallellt och tillsammans ger en fullständigare bild, säger Zhang.

Forskare, inklusive författare till den nya studien, använde tidigare dessa metoder 2017 för att beräkna mängden energi varje atom i en vätekedja har som funktion av kedjans avstånd. Denna beräkning, känd som tillståndsekvationen, ger inte en fullständig bild av kedjans egenskaper. Genom att ytterligare finslipa sina metoder, forskarna gjorde just det.

Vid stora separationer, forskarna fann att elektronerna förblir begränsade till sina respektive protoner. Även på så stora avstånd, elektronerna "vet" fortfarande om varandra och trasslar in sig. Eftersom elektronerna inte kan hoppa från atom till atom lika lätt, kedjan fungerar som en elektrisk isolator.

När atomerna rör sig närmare varandra, elektronerna försöker bilda molekyler med två väteatomer vardera. Eftersom protonerna är fixerade på plats, dessa molekyler kan inte bildas. Istället, elektronerna "vågar" till varandra, som Zhang uttrycker det. Elektroner kommer att luta sig mot en intilliggande atom. I denna fas, om du hittar en elektron som lutar mot en av sina grannar, du kommer att upptäcka att den intilliggande elektronen svarar i gengäld. Detta mönster av elektronpar som lutar sig mot varandra kommer att fortsätta i båda riktningarna.

Flytta väteatomerna ännu närmare varandra, forskarna upptäckte att vätekedjan förvandlades från en isolator till en metall med elektroner som rörde sig fritt mellan atomerna. Under en enkel modell av interagerande partiklar känd som den endimensionella Hubbard-modellen, denna övergång borde inte ske, eftersom elektroner elektriskt borde stöta bort varandra tillräckligt för att begränsa rörelsen. På 1960-talet Den brittiske fysikern Nevill Mott förutspådde förekomsten av en isolator-till-metall-övergång baserad på en mekanism som involverar så kallade excitoner, var och en består av en elektron som försöker bryta sig loss från sin atom och hålet den lämnar efter sig. Mott föreslog en abrupt övergång driven av upplösningen av dessa excitoner - något som den nya vätekedjan inte såg.

Istället, forskarna upptäckte en mer nyanserad övergång mellan isolator och metall. När atomerna rör sig närmare varandra, Elektroner lossnar gradvis från den tätt bundna inre kärnan runt protonlinjen och blir en tunn "ånga" som endast är löst bunden till linjen och visar intressanta magnetiska strukturer.

Den oändliga vätekedjan kommer att vara ett viktigt riktmärke i framtiden i utvecklingen av beräkningsmetoder, säger Zhang. Forskare kan modellera kedjan med sina metoder och kontrollera deras resultat för noggrannhet och effektivitet mot den nya studien.

Det nya verket är ett steg framåt i strävan efter att använda beräkningsmetoder för att modellera realistiska material, säger forskarna. På 1960-talet Den brittiske fysikern Neil Ashcroft föreslog att metalliskt väte, till exempel, kan vara en högtemperatursupraledare. Även om den endimensionella vätekedjan inte existerar i naturen (den skulle skrynkla ihop sig till en tredimensionell struktur), forskarna säger att de lärdomar de lärt sig är ett avgörande steg framåt i utvecklingen av de metoder och den fysiska förståelsen som behövs för att ta itu med ännu mer realistiska material.