都柏林圣三一学院的一个物理学家团队开发了新的量子力学定理，增强了对量子粒子中能量景观的理解。他们的研究有助于更精确的模拟，具有推进绿色技术材料的潜力。
都柏林圣三一学院(Trinity College Dublin)的物理学家拥有先进的量子力学，可以更好地进行模拟，并在绿色技术方面取得潜在突破。
掌握量子粒子的精确能量景观可以显著提高材料科学计算机模拟的准确性。这些模拟有助于开发用于物理、化学和可持续技术的先进材料。这项研究解决了很多问题理解20世纪80年代的问题，为各个科学学科的突破铺平道路。
由都柏林圣三一学院的研究人员领导的一个国际物理学家小组，在量子力学中发展了新的定理，解释了量子粒子集合的“能量景观”。他们的工作解决了几十年来的问题，为更精确的材料计算机模拟铺平了道路。这一进步将极大地帮助科学家们设计出能够彻底改变绿色技术的材料。
这些新定理刚刚发表在著名杂志《物理评论快报》上。结果描述了粒子系统(如原子、分子和更奇特的物质)的能量如何随着它们的磁性和粒子数量的变化而变化。用计算机解决一个对物质模拟很重要的开放问题，这是自20世纪80年代初开始的一系列具有里程碑意义的工作的延伸。
这项纸笔结合计算的工作是由三一学院物理学院的博士候选人安德鲁·伯吉斯、瑞士保罗·谢勒研究所的爱德华·林斯科特博士和三一学院物理学副教授大卫·奥雷根博士共同完成的。
这张氧原子的能量分布图，采用了量子力学理论所描述的平铺山谷的形式。资料来源:都柏林三一学院David O'Regan博士。
计算机模拟在材料科学中的作用
利用计算机模拟来探索和理解分子和材料是一个成熟而蓬勃发展的研究领域。它在过去几十年里取得了成功，目前使用的几种材料都是在这种模拟的帮助下开发的。在原子水平上研究系统时，描述粒子及其相互作用的方程是量子力学的方程。
这些方程要求很高，为了实际的模拟必须加以近似。使这种近似更可靠，同时使计算成本可控的技术，正在接近其100年的历史。这项工作越来越多地受到少数已知的“精确条件”的指导，即量子理论的确定规则，比如这里发现的那些。
David O'Regan博士和Andrew Burgess先生在都柏林三一学院讨论他们的工作。资料来源:都柏林三一学院David O'Regan博士。
David O'Regan博士解释了如何可视化团队的发现，他说:“想象一个陡峭的山谷，那里的地面不是弯曲的，而是由有棱角的瓷砖组成，就像你可能在一个古老的街机游戏中看到的那样，图像是用多边形制作的。
“我们发现，像这样断裂山谷的高度剖面代表了孤立粒子集合(如分子)的确切能量。沿着山谷向上移动会改变分子的电子数量，同时向两边移动会增加分子的磁性。这项工作完成了这个山谷到高磁状态的映射，发现山谷壁陡峭而倾斜。”
洞察量子力学定理
主要作者安德鲁·伯吉斯更详细地描述了这一发现是如何产生的，他说:“在研究一个不同的问题时，我需要知道简单系统的能量谷的形状。通过查阅已发表的研究，我可以找到许多漂亮的图表，但令我惊讶的是，他们没有绘制出整个山谷的地图。我意识到现有的量子力学定理可以用于只有一个电子的系统，比如氢原子。然而，对于有两个电子的系统，如氦原子，这些定理不能告诉我关于山谷的侧面。具体来说，一个被称为自旋常数条件的量子力学定理是不完整的。”
来自PSI材料模拟实验室的爱德华·林斯科特博士解释了该团队发现的意义，并补充说:“了解这种能源景观的地理位置可能看起来相当抽象和深奥-但实际上，这些知识可以帮助解决各种现实世界的问题。”当我们的同事使用计算机模拟来尝试寻找更高效的太阳能电池板的下一代材料，或更节能的工业化学催化剂时，我们对能源景观的了解可以被纳入他们执行的计算中，使他们的预测更加准确和可靠。”
O'Regan博士补充说:“能量差异和山谷地形的坡度支撑着物质的稳定性、物质与光之间的相互作用、化学反应和磁效应。知道整个山谷表面是什么样子，包括在高磁化的情况下，已经帮助我们建立更好的工具来模拟复杂的材料，即使它们没有磁性。
“推动这项工作的是需要为开发可再生能源和化学应用的材料提供改进的模拟理论和方法。例如，当电池放电时，金属原子会改变它们的粒子数和磁性。这里我们看到，我们在同样的山谷景观中移动，可以说，是高度的下降，给了电池提供的能量。这是应用模拟和抽象量子理论并行实践的一个例子，彼此激励和改进对方。”
在反思这类研究的本质时，伯吉斯补充道:“理论与实际模拟之间的相互作用是我最喜欢这一研究领域的地方。我们已经开发了一种基于这些定理的材料建模新方法，并正在电池正极材料上进行测试，因此有很多令人兴奋的工作正在进行中!”
参考文献:“有限量子系统能量的倾斜平面结构”，作者:Andrew C. Burgess, Edward Linscott和David D. O'Regan, 2024年7月12日，《物理评论快报》。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.133.026404
这项研究由爱尔兰研究委员会和瑞士国家科学基金会资助。
