Slično kao i ljudima koji su ih stvorili, kompjuterima je fizika teška, ali kvantna mehanika još teža. Ali nova tehnika koju su kreirala tri naučnika sa Univerziteta u Čikagu omogućava kompjuterima da simuliraju određene izazovne kvantno mehaničke efekte u složenim elektronskim materijalima sa daleko manje napora.
Čineći ove simulacije preciznijim i efikasnijim, naučnici se nadaju da bi tehnika mogla pomoći u otkrivanju novih molekula i materijala, kao što su novi tipovi solarnih ćelija ili kvantnih računara.
„Ovaj napredak ima ogroman potencijal za unapređenje našeg razumevanja molekularnih fenomena, sa značajnim implikacijama na hemiju, nauku o materijalima i srodna polja“, rekao je naučnik Danijel Gibni, doktor nauka sa Univerziteta u Čikagu, student hemije i prvi autor rada, objavljenog 14. decembra.
List ili solarni panel izgledaju glatko i jednostavno spolja, ali spustite na molekularni nivo i videćete divlje komplikovan ples elektrona i molekula.
Da bi napravili novi napredak u održivosti, proizvodnji, poljoprivredi i mnogim drugim poljima, naučnici modeliraju ponašanje ovih hemijskih i molekularnih interakcija. Ovo pomaže da se otkriju nove mogućnosti dizajna za budućnost – za sve, od novih načina odvajanja ugljen-dioksida do novih tipova kvantnih bitova.
Poslednjih decenija napravljeni su mnogi koraci, ali jedno od oblasti koje je i dalje teško simulirati je kada molekuli počnu da pokazuju složena kvantnomehanička ponašanja koja naučnici nazivaju jakom korelacijom.
Nevolja je u tome što kada elektroni počnu da se razmeću svojim najvećim kvantno-mehaničkim efektima — kao što je da se „zapetljaju“ — proračunima je trenutno potrebno mnogo više računarske snage. Čak se i superkompjuteri bore da se izbore sa implikacijama.
Jedan od najčešće korišćenih proračuna naziva se teorija funkcionalne gustine. „Ovo je u osnovi najsveprisutnija tehnika za predviđanje elektronske strukture, ali je u suštini aproksimacija gde se svi elektroni tretiraju kao funkcija jednog elektrona“, objasnio je Dejvid Macioti, profesor hemije i stariji autor studije.
Za mnoge proračune, aproksimacija radi posao. Ali počinje da se kvari kako ponašanje elektrona postaje više korelirano, kao što se dešava kada kvantna mehanika počne da ulazi u igru. U kvantnoj mehanici, ovi elektroni mogu biti na više mesta ili orbitala, istovremeno. Ovo dovodi u zastoj ne samo ljudski mozak, već i teoriju funkcionalne gustine.
„A ovo je važan problem, jer mnoga pitanja do kojih nam je stalo u 21. veku – kao što su novi molekuli i materijali za obnovljivu energiju i održivost – zahtevaju da iskoristimo kvantnu prirodu materijala“, rekao je Mazioti.
Mazioti, Gibni i treći autor Jan-Niklas Bojn otkrili su da bi mogli da dodaju univerzalnu korekciju teoriji funkcionalne gustine koja omogućava da se elektroni zapletu među više orbitala odjednom.
„Ovo omogućava da orbitale u proračunu budu ne samo potpuno popunjene ili potpuno prazne, već bilo gde između“, rekao je Mazzioti. „Dolazimo do slike sa jednim elektronom koja je i dalje u stanju da uhvati ponašanje koje proizilazi iz koreliranih elektronskih efekata mnogih tela.“
Kao bonus, rekli su naučnici, kod se može dodati postojećim algoritmima bez potrebe da se taj kod ponovo piše. „U suštini, ispravka se uključuje kad god je potrebna, ali inače ne ometa ostatak koda“, rekao je Gibnei.
Takođe je univerzalan – po tome što se može dodati kodu koji simulira mnoge vrste elektronskog ponašanja, bilo da se radi o fotonaponskim solarnim panelima ili sekvestraciji ugljenika ili superprovodnim materijalima – ili čak biologiji.
Na primer, objasnio je Bojn, jedna primena bi mogla biti u razumevanju hemije koja se odvija korišćenjem enzima koji sadrže atome metala, poznatih kao metaloenzimi.
„Postoji mnoštvo metaloenzima odgovornih za veliki deo hemije u vašim ćelijama, na primer, ali ih je bilo notorno teško opisati sa trenutnim modelima“, rekao je on. „Ova teorija bi nam u bliskoj budućnosti mogla omogućiti da se pozabavimo ovom hemijom na način koji je trenutno nemoguć.“
