新技术可以使分子建模变得更加容易

就像创造它们的人类一样，计算机发现物理学很难，但量子力学更难。但芝加哥大学三名科学家发明的一项新技术可以让计算机以更少的努力来模拟复杂电子材料中某些具有挑战性的量子力学效应。

通过使这些模拟更加准确和高效，科学家们希望该技术能够帮助发现新的分子和材料，例如新型太阳能电池或量子计算机。

“这一进展对于进一步加深我们对分子现象的理解具有巨大潜力，对化学、材料科学及相关领域具有重大影响，”芝加哥大学博士、科学家丹尼尔·吉布尼 (Daniel Gibney) 说道。化学专业学生，该论文的第一作者，发表于 12 月 14 日在 物理评论快报< a i=6>.

电子和能量

一片叶子或一块太阳能电池板从外面看起来光滑简单，但放大到分子水平你会发现看到电子和分子极其复杂的舞蹈。

为了在可持续发展、制造、农业和许多其他领域取得新进展，科学家对这些化学和分子相互作用的行为进行建模。这有助于揭示未来新的设计可能性——从隔离二氧化碳的新方法二氧化碳到新型量子比特。

在过去的几十年里，已经取得了许多进步，但仍然难以模拟的领域之一是分子何时开始表现出科学家称之为强相关性的复杂量子力学行为。

问题在于，一旦电子开始炫耀其最量子力学效应(例如变得“纠缠”)，计算立即需要更多的计算能力。即使是超级计算机也难以应对这些影响。

常用的计算之一称为密度泛函理论。 “这基本上是预测电子结构最普遍的技术电子结构，但它本质上是一种近似，其中所有电子都被视为一个函数一个电子，”化学教授兼该研究的资深作者 David Mazziotti 解释道。

对于许多计算，近似值就可以完成这项工作。但随着电子行为变得更加相关，它开始崩溃，就像量子力学开始发挥作用时所发生的那样。在量子力学中，这些电子可以同时位于多个位置或轨道。这不仅阻碍了人类大脑，也阻碍了密度泛函理论。

“这是一个重要的问题，因为我们在 21 世纪关心的许多问题，例如用于可再生能源和可持续性的新分子和材料，都需要我们利用材料的量子性质，”马齐奥蒂说。

Mazziotti、Gibney 和第三作者 Jan-Niklas Boyn 发现，他们可以对密度泛函理论添加通用修正，使电子同时纠缠在多个轨道中。

“这使得计算中的轨道不仅可以完全充满或完全空，还可以介于两者之间的任何位置，”马齐奥蒂说。 “我们得到了一张单电子图片，它仍然能够捕捉相关多体电子效应所产生的行为。”

“通用”适应

科学家们表示，作为奖励，该代码可以添加到现有算法中，而无需重写该代码。 “基本上，纠正会在需要时启动，但不会干扰其余代码，”吉布尼说。

它也是通用的，因为它可以添加到模拟多种电子行为的代码中，无论是光伏太阳能电池板、碳封存还是超导材料，甚至是生物学。

例如，博因解释说，一种应用可能是了解使用含有金属原子的酶(称为金属酶)所发生的化学反应。

“例如，有大量的金属酶负责细胞中的许多化学反应，但众所周知，用当前的模型很难描述它们，”他说。 “这个理论可能在不久的将来让我们能够以目前不可能的方式解决这种化学问题。”