氧原子的确切能量景观的插图，如量子力学理论所描述的那样，氧原子采用平铺山谷的形式。图片来源：Physical Review Letters（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.026404

以三一大学为中心的一个国际物理学家团队已经证明了量子力学中的新定理，这些定理描述了量子粒子集合的“能量景观”。

他们的工作解决了几十年来存在的问题，开辟了新的途径，使计算机模拟材料更加准确。反过来，这可能有助于科学家设计出一套可以彻底改变绿色技术的材料。

这些新定理刚刚发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。这些结果描述了粒子系统（如原子、分子和更多奇特物质）的能量在它们的磁性和粒子数量发生变化时是如何变化的。解决了一个对使用计算机模拟物质很重要的开放问题，这扩展了从 1980 年代初开始的一系列里程碑式的工作。

笔和计算的结合工作是由三一物理学院的博士候选人Andrew Burgess与瑞士Paul Scherrer研究所的Edward Linscott博士和Trinity 物理学副教授David O'Regan博士共同完成的。

使用计算机模拟对分子和材料的探索和理解是一个成熟且蓬勃发展的研究领域。几十年来，它有着悠久的成功记录，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。

这些方程的要求非常高，必须进行近似值以进行实际仿真。使这种近似值更可靠，同时保持计算成本可控的艺术已经接近第 100 个年头。这项工作越来越多地受到少数已知的“精确条件”的指导，即量子理论中的明确规则，例如这里发现的那些。

O'Regan博士在解释如何可视化团队的发现时说：“想象一个陡峭的山谷，那里的地面不是弯曲的，而是由棱角分明的瓷砖组成，就像你可能在老式街机游戏中看到的那样，图像是用多边形制作的。

“我们发现，像这样的破碎山谷中的高度剖面代表了孤立的粒子集合（如分子）的确切能量。直接向上走山谷对应于改变将分子结合在一起的电子数量，而向每一侧移动会增加其磁性。这项工作完成了对这个山谷到高磁态的映射，发现谷壁陡峭且倾斜。

第一作者伯吉斯（Burgess）更详细地描述了这一发现是如何产生的，他说：“在研究不同的问题时，我需要知道这个能量谷的形状，以便获得简单的系统。通过搜索已发表的研究，我可以找到很多漂亮的图表，但令我惊讶的是，他们没有绘制整个山谷的地图。

“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，例如氢原子。然而，对于具有两个电子的系统，例如氦原子，这些定理几乎无法告诉我山谷的两侧。具体来说，被称为自旋恒定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Linscott博士补充说：“了解这种能源景观的地理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试图找到用于更高效的太阳能电池板的下一代材料，或用于更节能的工业化学的催化剂时，我们对能源格局的了解可以融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：“这个山谷景观的能量差异和坡度支撑着物质的稳定性、材料与光之间的相互作用、化学反应和磁效应。了解整个山谷表面的外观，包括高磁化强度下的外观，已经帮助我们构建更好的工具来模拟复杂材料，即使它们没有磁性。

“推动这项工作的是需要提供改进的仿真理论和方法，以开发用于可再生能源和化学应用的材料。例如，当电池放电时，有一些金属原子会改变它们的粒子数量和磁性。

“在这里，我们看到我们正在同样的山谷景观中移动，可以说，正是高度的下降提供了电池提供的能量。这是应用模拟和抽象量子理论并存的一个例子，两者相互激励和改进。

在反思这种研究的性质时，Burgess补充道：“理论和实际模拟之间的相互作用是我最喜欢这个研究领域的地方。我们已经开发了一种基于这些定理对材料进行建模的新方法，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。

更多信息：Andrew C. Burgess 等人，有限量子系统能量的倾斜平面结构，《物理评论快报》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.026404.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2307.16003

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv