Une chaîne infinie d'atomes d'hydrogène est à peu près le matériau en vrac le plus simple qu'on puisse imaginer – une ligne interminable de protons en file indienne entourés d'électrons. Pourtant, une nouvelle étude informatique combinant quatre méthodes de pointe révèle que le matériau modeste possède des propriétés quantiques fantastiques et surprenantes.

En calculant les conséquences de la modification de l'espacement entre les atomes, une équipe internationale de chercheurs du Flatiron Institute et de la Simons Collaboration on the Many Electron Problem a découvert que les propriétés de la chaîne de l'hydrogène peuvent varier de manière inattendue et drastique. Cela inclut la chaîne se transformant d'un isolant magnétique en un métal, les chercheurs rapportent le 14 septembre dans Examen physique X .

Les méthodes de calcul utilisées dans l'étude présentent une étape importante vers la conception sur mesure de matériaux aux propriétés recherchées, comme la possibilité d'une supraconductivité à haute température dans laquelle les électrons circulent librement à travers un matériau sans perdre d'énergie, dit Shiwei Zhang, auteur principal de l'étude. Zhang est chercheur principal au Center for Computational Quantum Physics (CCQ) du Flatiron Institute de la Simons Foundation à New York.

"Le but principal était d'appliquer nos outils à une situation réaliste, " dit Zhang. " Presque comme produit secondaire, nous avons découvert toute cette physique intéressante de la chaîne de l'hydrogène. Nous ne pensions pas que ce serait aussi riche qu'il s'est avéré l'être."

Zhang, qui est également chancelier professeur de physique au College of William and Mary, co-dirigé la recherche avec Mario Motta d'IBM Quantum. Motta est le premier auteur de l'article aux côtés de Claudio Genovese de l'École internationale d'études avancées (SISSA) en Italie, Fengjie Ma de l'Université normale de Pékin, Zhi-Hao Cui de l'Institut de technologie de Californie, et Randy Sawaya de l'Université de Californie, Irvine. Les co-auteurs supplémentaires incluent le co-directeur de la CCQ Andrew Millis, Hao Shi, chercheur à Flatiron du CCQ, et Miles Stoudenmire, chercheur au CCQ.

La longue liste d'auteurs de l'article - 17 co-auteurs au total - est rare pour le domaine, dit Zhang. Les méthodes sont souvent élaborées au sein de groupes de recherche individuels. La nouvelle étude rassemble de nombreuses méthodes et groupes de recherche pour unir leurs forces et s'attaquer à un problème particulièrement épineux. "La prochaine étape sur le terrain est d'aller vers des problèmes plus réalistes, " dit Zhang, "et il n'y a pas de pénurie de ces problèmes qui nécessitent une collaboration."

Alors que les méthodes conventionnelles peuvent expliquer les propriétés de certains matériaux, autres matériaux, telles que les chaînes d'hydrogène infinies, posent un obstacle de calcul plus intimidant. C'est parce que le comportement des électrons dans ces matériaux est fortement influencé par les interactions entre les électrons. Lorsque les électrons interagissent, ils s'entremêlent mécaniquement quantiquement. Une fois enchevêtré, les électrons ne peuvent plus être traités individuellement, même lorsqu'ils sont physiquement séparés.

Le simple nombre d'électrons dans un matériau en vrac - environ 100 milliards de milliards de milliards par gramme - signifie que les méthodes conventionnelles de force brute ne peuvent même pas fournir une solution. Le nombre d'électrons est si grand qu'il est pratiquement infini à l'échelle quantique.

Heureusement, les physiciens quantiques ont développé des méthodes intelligentes pour résoudre ce problème à plusieurs électrons. La nouvelle étude combine quatre de ces méthodes :Monte Carlo variationnelle, diffusion réticulée Monte Carlo, Monte Carlo quantique à champ auxiliaire, et groupe de renormalisation de matrice de densité standard et en tranches. Chacune de ces méthodes de pointe a ses forces et ses faiblesses. Les utiliser en parallèle et de concert fournit une image plus complète, dit Zhang.

Des chercheurs, y compris les auteurs de la nouvelle étude, précédemment utilisé ces méthodes en 2017 pour calculer la quantité d'énergie de chaque atome dans une chaîne d'hydrogène en fonction de l'espacement de la chaîne. Ce calcul, connue sous le nom d'équation d'état, ne fournit pas une image complète des propriétés de la chaîne. En perfectionnant davantage leurs méthodes, les chercheurs ont fait exactement cela.

Aux grandes séparations, les chercheurs ont découvert que les électrons restent confinés à leurs protons respectifs. Même à de si grandes distances, les électrons se « connaissent » toujours et s'emmêlent. Parce que les électrons ne peuvent pas sauter d'atome en atome aussi facilement, la chaîne agit comme un isolant électrique.

Au fur et à mesure que les atomes se rapprochent, les électrons essaient de former des molécules de deux atomes d'hydrogène chacune. Parce que les protons sont fixés en place, ces molécules ne peuvent pas se former. Au lieu, les électrons « ondulent » les uns aux autres, comme le dit Zhang. Les électrons se pencheront vers un atome adjacent. Dans cette phase, si vous trouvez un électron penché vers l'un de ses voisins, vous constaterez que l'électron voisin répond en retour. Ce modèle de paires d'électrons se penchant l'un vers l'autre se poursuivra dans les deux sens.

En rapprochant encore plus les atomes d'hydrogène, les chercheurs ont découvert que la chaîne d'hydrogène se transformait d'un isolant en un métal avec des électrons se déplaçant librement entre les atomes. Sous un modèle simple de particules en interaction connu sous le nom de modèle de Hubbard unidimensionnel, cette transition ne devrait pas se produire, car les électrons devraient se repousser suffisamment électriquement pour restreindre le mouvement. Dans les années 1960, Le physicien britannique Nevill Mott a prédit l'existence d'une transition isolant-métal basée sur un mécanisme impliquant des excitons, chacun étant constitué d'un électron essayant de se libérer de son atome et du trou qu'il laisse derrière lui. Mott a proposé une transition abrupte entraînée par la rupture de ces excitons, ce que la nouvelle étude sur la chaîne de l'hydrogène n'a pas vu.

Au lieu, les chercheurs ont découvert une transition isolant-métal plus nuancée. Au fur et à mesure que les atomes se rapprochent, les électrons se détachent progressivement du noyau interne étroitement lié autour de la raie du proton et deviennent une fine « vapeur » liée de manière lâche à la raie et affichant des structures magnétiques intéressantes.

La chaîne infinie de l'hydrogène sera une référence clé à l'avenir dans le développement de méthodes de calcul, dit Zhang. Les scientifiques peuvent modéliser la chaîne à l'aide de leurs méthodes et vérifier l'exactitude et l'efficacité de leurs résultats par rapport à la nouvelle étude.

Le nouveau travail est un bond en avant dans la quête pour utiliser des méthodes de calcul pour modéliser des matériaux réalistes, disent les chercheurs. Dans les années 1960, Le physicien britannique Neil Ashcroft a proposé que l'hydrogène métallique, par exemple, pourrait être un supraconducteur à haute température. Alors que la chaîne d'hydrogène unidimensionnelle n'existe pas dans la nature (elle se froisserait en une structure tridimensionnelle), les chercheurs disent que les leçons qu'ils ont apprises sont une étape cruciale dans le développement des méthodes et de la compréhension physique nécessaires pour s'attaquer à des matériaux encore plus réalistes.