Físicos desenvolvem novos teoremas para descrever a paisagem energética formada quando partículas quânticas se reúnem

Uma equipe internacional de físicos, sediada na Trinity, provou novos teoremas em mecânica quântica que descrevem as “paisagens energéticas” de coleções de partículas quânticas.

O trabalho deles aborda questões de décadas atrás, abrindo novas rotas para tornar a simulação computacional de materiais muito mais precisa. Isso, por sua vez, pode ajudar os cientistas a projetar um conjunto de materiais que podem revolucionar as tecnologias verdes.

Os novos teoremas acabam de ser publicados na revista Cartas de revisão física. Os resultados descrevem como a energia de sistemas de partículas (como átomos, moléculas e matéria mais exótica) muda quando seu magnetismo e contagem de partículas mudam. Resolvendo um problema aberto importante para a simulação de matéria usando computadores, isso estende uma série de trabalhos marcantes começando no início dos anos 1980.

O trabalho combinado de caneta e papel e computacional foi feito por Andrew Burgess, candidato a doutorado na Escola de Física da Trinity, juntamente com o Dr. Edward Linscott, do Instituto Paul Scherrer na Suíça, e o Dr. David O’Regan, professor associado de Física na Trinity.

A exploração e compreensão de moléculas e materiais usando simulação computacional é uma área de pesquisa madura e próspera. Ela tem um longo histórico de sucesso ao longo de várias décadas, e vários materiais em uso atual foram desenvolvidos com a ajuda de tais simulações. Ao estudar sistemas no nível atômico, as equações que descrevem as partículas e suas interações são aquelas da mecânica quântica.

Essas equações são muito exigentes e devem ser aproximadas para simulações práticas. A arte de tornar essas aproximações mais confiáveis, mantendo os custos computacionais administráveis, está se aproximando de seu 100º ano. Este trabalho é cada vez mais guiado pelo punhado de “condições exatas” conhecidas, ou seja, regras definidas da teoria quântica, como as encontradas aqui.

Explicando como visualizar o que a equipe descobriu, o Dr. O’Regan diz: “Imagine um vale com encostas íngremes, onde o solo não é curvo, mas sim feito de ladrilhos angulares, como você pode ver em um antigo jogo de fliperama, onde as imagens eram feitas usando polígonos.

“Descobrimos que o perfil de altura em vales fraturados como este representa a energia exata de coleções isoladas de partículas, como moléculas. Ir direto para o vale corresponde a mudar o número de elétrons que mantêm a molécula unida, enquanto mover para cada lado aumenta seu magnetismo. Este trabalho completa o mapeamento deste vale até altos estados magnéticos, descobrindo que as paredes do vale são íngremes e inclinadas.”

Burgess, autor principal, descreve em mais detalhes como a descoberta aconteceu, dizendo: “Enquanto trabalhava em um problema diferente, eu precisava saber o formato desse vale de energia para sistemas simples. Caçando pesquisas publicadas, eu pude encontrar muitos gráficos legais, mas para minha surpresa eles pararam antes de mapear o vale inteiro.

“Percebi que os teoremas mecânicos quânticos existentes poderiam ser usados ​​para sistemas com um elétron, como o átomo de hidrogênio. No entanto, para sistemas com dois elétrons, como o átomo de hélio, esses teoremas poderiam me dizer pouco sobre os lados do vale. Especificamente, um teorema mecânico quântico conhecido como condição de constância de spin era incompleto.”

O Dr. Linscott, do Laboratório de Simulações de Materiais do PSI, acrescenta: “Entender a geografia desse cenário energético pode parecer bastante abstrato e esotérico, mas, na verdade, esse conhecimento pode ajudar a resolver todos os tipos de problemas do mundo real.

“Quando nossos colegas usam simulações de computador para tentar encontrar materiais de última geração para painéis solares mais eficientes, ou catalisadores para uma química industrial mais eficiente em termos de energia, nosso conhecimento do cenário energético pode ser incorporado aos cálculos que eles realizam, tornando suas previsões mais precisas e confiáveis.”

O Dr. O’Regan acrescentou: “As diferenças de energia e as inclinações desta paisagem de vale sustentam a estabilidade da matéria, interações entre materiais e luz, reações químicas e efeitos magnéticos. Saber como é toda a superfície do vale, incluindo em alta magnetização, já está nos ajudando a construir melhores ferramentas para simular materiais complexos, mesmo quando eles não são magnéticos.

“A motivação deste trabalho é a necessidade de fornecer teoria de simulação e métodos aprimorados para desenvolver materiais para aplicações de energia renovável e química. Quando uma bateria está descarregando, por exemplo, há átomos de metal que alteram sua contagem de partículas e magnetismo.

“Aqui vemos que estamos nos movendo na mesma paisagem de vale e é a queda de altura, por assim dizer, que dá a energia que a bateria fornece. Este é um exemplo de simulação aplicada e teoria quântica abstrata sendo praticadas lado a lado, cada uma motivando e melhorando a outra.”

Refletindo sobre a natureza desse tipo de pesquisa, Burgess acrescentou: “Essa interação entre teoria e simulação prática é o que mais amo nessa área de pesquisa. Já desenvolvemos um novo método para modelar materiais com base nesses teoremas e estamos testando-o em materiais de cátodo de bateria, então há muito trabalho empolgante em andamento.”