(Phys.org)—Pour la première fois, les scientifiques ont déterminé l'équation d'état d'une chaîne infinie d'atomes d'hydrogène, qui indique la quantité d'énergie de chaque atome d'hydrogène, étant donné la longueur de liaison entre les atomes adjacents.

Mais ce qui est encore plus intéressant pour les scientifiques que le résultat lui-même, c'est comment ils y sont parvenus :en utilisant une vingtaine de méthodes de calcul de pointe récemment développées pour analyser les systèmes à plusieurs électrons. Les nouveaux résultats offrent un premier aperçu de ce que ces méthodes peuvent offrir pour comprendre et prédire les propriétés de nombreux matériaux complexes, et finalement concevoir des matériaux complètement nouveaux.

Les chimistes et physiciens à l'origine de la nouvelle étude sont membres de la Simons Collaboration on the Many-Electron Problem, dont le but ultime est de trouver des méthodes pour modéliser et comprendre les systèmes à plusieurs électrons. Ce sont essentiellement des systèmes qui, comme une chaîne infinie d'atomes d'hydrogène, contiennent un grand nombre d'atomes ou de molécules, et, donc, beaucoup d'électrons.

Les interactions électron-électron jouent un rôle important dans la détermination des propriétés d'un matériau, tels que la façon dont il conduit l'électricité et à quel point il est dur ou mou. Cette information est essentielle pour les futures initiatives dans lesquelles les chercheurs conçoivent de nouveaux matériaux avec des propriétés spécifiques souhaitées. Bien qu'il soit relativement facile de modéliser des systèmes avec quelques électrons, au fur et à mesure que le nombre d'électrons augmente, le nombre d'états possibles qu'un système peut occuper croît de façon exponentielle. La modélisation de tels systèmes devient alors de plus en plus difficile, puisque les effets d'interaction électronique sont si forts que même les meilleures théories des électrons indépendants s'effondrent.

Afin de modéliser les systèmes à plusieurs électrons, les chercheurs ont développé plusieurs méthodes de calcul à plusieurs électrons qui s'appuient sur des concepts avancés en mathématiques et en informatique, telles que la théorie de l'inclusion de clusters, méthodes de Monte Carlo, et les réseaux de tenseurs. Mais si loin, il n'existe aucune méthode capable de traiter systématiquement tous les systèmes à plusieurs électrons avec une grande précision et un faible coût de calcul.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont utilisé une chaîne linéaire d'atomes d'hydrogène comme premier système de référence pour tester bon nombre de ces nouvelles méthodes théoriques. En appliquant environ 20 des méthodes les plus récentes au même problème, les scientifiques ont pu valider et recouper les résultats de chaque méthode. Bien que l'ensemble du processus ait été complexe sur le plan informatique, il a permis aux scientifiques de combiner les forces de méthodes complémentaires et de déterminer l'énergie par atome avec un haut degré de précision. Ils pourraient ensuite comparer l'exactitude des méthodes individuelles, qui a révélé que bon nombre des nouvelles méthodes ont atteint un haut degré de précision par elles-mêmes.

« Il y a plusieurs facettes à ce travail, " Shiwei Zhang, professeur de physique au College of William and Mary et auteur correspondant de l'article, Raconté Phys.org . « Il a produit des données et des comparaisons approfondies, comme une étude de référence a été conçue pour le faire. Elle a également suscité de nombreux développements algorithmiques dans les différentes méthodes, résultant des interactions et de la « compétition amicale ». Peut-être moins évident mais le plus important :il a rapproché les gens et les algorithmes, aidé à cibler le terrain, et a poussé la communauté à travailler en synergie de la manière la plus productive. »

Les scientifiques mettent la grande quantité de données produites dans cette étude à la disposition d'autres chercheurs, qui sera bientôt disponible ici. Ils s'attendent à ce que les données soient utiles pour analyser les méthodes de calcul, benchmarker de nouvelles méthodes, étudier d'autres systèmes à plusieurs électrons, et acquérir une compréhension plus approfondie de nombreux domaines de la physique de la matière condensée, chimie quantique, et science des matériaux, entre autres domaines.

"Un objectif à court terme est de déterminer les propriétés de la chaîne hydrogène, " dit Zhang. " Étonnamment, même dans ce "matériel relativement simple, ' il y a des questions importantes pour lesquelles nous n'avons pas de réponses définitives. Nous avons calculé l'équation d'état. Mais, par exemple, quelles sont les propriétés électriques et magnétiques?

"Plus généralement, nous aimerions étendre ces études de référence à des matériaux plus complexes. Nous continuerons à développer nos méthodes de calcul et nos logiciels. Et bien sûr, nous aimerions les appliquer pour résoudre les problèmes à plusieurs électrons les plus difficiles dans les molécules et les solides importants pour la science et la technologie. »

© 2017 Phys.org