Crédit :Université d'État du Michigan
Un groupe de chercheurs de la Michigan State University (MSU) spécialisés dans les calculs quantiques a proposé une approche informatique radicalement nouvelle pour résoudre l'équation complexe de Schrödinger à plusieurs particules qui détient la clé pour expliquer le mouvement des électrons dans les atomes et les molécules.
En comprenant les détails de cette motion, on peut déterminer la quantité d'énergie nécessaire pour transformer les réactifs en produits dans une réaction chimique, ou la couleur de la lumière absorbée par une molécule, et à terme accélérer la conception de nouveaux médicaments et matériaux, de meilleurs catalyseurs et des sources d'énergie plus efficaces.
L'oeuvre, dirigé par Piotr Piecuch, un professeur universitaire distingué au département de chimie de la MSU et un professeur adjoint au département de physique et d'astronomie du Collège des sciences naturelles, a été publié dans le numéro du 1er décembre de Lettres d'examen physique . L'étudiant diplômé de quatrième année J. Emiliano Deustua et l'associé postdoctoral senior Jun Shen participent également aux travaux. Le groupe fournit des détails sur une nouvelle façon d'obtenir des énergies électroniques très précises en fusionnant les approches déterministes à cluster couplé et stochastique Quantum Monte Carlo.
Bien que la théorie mathématique générale du monde microscopique de la mécanique quantique soit bien établie, les défis ont été centrés sur la résolution des équations compliquées nées de l'application exacte des lois. L'équation de Schrödinger à plusieurs particules est au cœur du problème.
"Au lieu d'insister sur une seule philosophie lors de la résolution de l'équation électronique de Schrödinger, historiquement déterministe ou stochastique, nous avons choisi une troisième voie, " Piecuch a déclaré. "Comme l'a noté l'un des critiques, l'essence de celui-ci est remarquablement simple :utiliser l'approche stochastique pour déterminer ce qui est important et l'approche déterministe pour déterminer l'important, tout en corrigeant les informations manquées par l'échantillonnage stochastique."
Leur nouvelle méthode affiche une convergence rapide vers l'énergétique électronique moléculaire cible basée sur les informations extraites des premiers stades des propagations de la fonction d'onde de Monte Carlo, réduire les coûts de calcul par des ordres de grandeur.
Convergence rapide de la nouvelle approche vers l'énergétique des clusters couplés cibles CCSDT pour la molécule de fluor presque dissociée (carrés et ligne noirs). La ligne verte montre l'exécution de Monte Carlo (MC) CCSDT. Les cercles et la ligne rouges montrent les calculs utilisant les informations extraites de MC avant d'appliquer la correction énergétique finale. Crédit :Université d'État du Michigan
La résolution de l'équation de Schrödinger pour la fonction d'onde à plusieurs électrons est un défi majeur en chimie quantique depuis des décennies. Tout autre qu'un problème à un électron, tel qu'un atome d'hydrogène, nécessite de recourir à des méthodes numériques, convertis en programmes informatiques sophistiqués, tels que ceux développés par Piecuch et son groupe. La principale difficulté a été la complexité intrinsèque du mouvement électronique, que les chimistes quantiques et les physiciens appellent « corrélation électronique ».
La nouvelle idée est d'utiliser les méthodes stochastiques, développé par Ali Alavi, professeur de chimie à l'Université de Cambridge et directeur de l'Electronic Structure Theory Group à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart; George H. Booth, Chercheur de la Royal Society au King's College de Londres; et Alex J.W. Thom, Chercheur de la Royal Society à l'Université de Cambridge, pour identifier les composantes principales de la fonction d'onde et les calculs déterministes des clusters couplés, associé à des corrections énergétiques adaptées, pour fournir les informations manquantes.
"C'est comme jouer aux échecs et pouvoir prédire l'issue du jeu après les premiers coups, " dit Deustua.
Les résultats peuvent avoir un impact profond sur les calculs quantiques pour les atomes et les molécules, et d'autres systèmes à plusieurs électrons.
La fusion des approches déterministes et stochastiques comme méthode générale de résolution de l'équation de Schrödinger à plusieurs particules peut également avoir un impact sur d'autres domaines, comme la physique nucléaire.
« Dans le cas des noyaux, au lieu de se préoccuper des électrons, on utiliserait notre nouvelle approche pour résoudre l'équation de Schrödinger pour les protons et les neutrons, " Piecuch a déclaré. "Les problèmes mathématiques et informatiques sont similaires. Tout comme les chimistes veulent comprendre la structure électronique d'une molécule, les physiciens nucléaires veulent démêler la structure du noyau atomique. Encore une fois, la résolution de l'équation de Schrödinger à plusieurs particules détient la clé."
