托马斯·萨姆纳，西蒙斯基金会 氢原子链周围最有可能发现电子的位置图
更亮的颜色表示更高的概率
在原子之间的这个间距，电子试图连接成对的相邻原子形成二氢分子
因为质子固定在适当的位置，这些分子不能形成
相反，每个电子都“倾向”一个相邻的原子
信用:M
Motta等人
/物理评论X 2020 一条无限长的氢原子链几乎是可以想象到的最简单的大块物质——一条被电子包围的永无止境的单行质子线
然而，一项新的结合了四种尖端方法的计算研究发现，这种适度的材料拥有奇妙和令人惊讶的量子特性
通过计算改变原子间距的后果，一个由弗莱铁研究所和西蒙斯多电子问题合作组织组成的国际研究小组发现，氢原子的性质可以以意想不到的激烈方式发生变化
研究人员在9月14日的《物理评论十》中报道，这包括从磁性绝缘体转变成金属的链
这项研究的资深作者张世伟说，研究中使用的计算方法向定制设计具有受欢迎特性的材料迈出了重要的一步，例如高温超导的可能性，在这种可能性下，电子在材料中自由流动而不损失能量
张(音译)是纽约西蒙斯基金会平板铁研究所计算量子物理中心的资深研究员
“主要目的是将我们的工具应用到现实情况中，”张说
“几乎作为副产品，我们发现了所有这些有趣的氢链物理现象
我们没有想到它会像原来那样富有
" 张，同时也是威廉和玛丽学院的物理学教授，和IBM Quantum的马里奥·莫塔共同领导了这项研究
莫塔是该论文的第一作者，与他一起的还有意大利国际高等研究院(SISSA)的克劳迪奥·吉诺维斯，北京师范大学的马奉杰，加州理工学院的智，以及加州大学欧文分校的兰迪·萨瓦亚
其他合著者包括CCQ联合主任安德鲁·米利斯、CCQ·弗莱顿研究员石昊和CCQ研究科学家迈尔斯·斯托登米尔
该论文的作者名单很长——共有17位合作作者——这在该领域并不常见，张说
方法通常是在单独的研究小组中开发的
这项新的研究将许多方法和研究小组聚集在一起，合力解决一个特别棘手的问题
“该领域的下一步是走向更现实的问题，”张说，“不缺乏这些需要合作的问题
" 虽然传统的方法可以解释某些材料的性质，但其他材料，如无限氢链，则构成了更令人生畏的计算障碍
这是因为这些材料中电子的行为受到电子间相互作用的严重影响
当电子相互作用时，它们会在量子力学上相互纠缠
一旦纠缠在一起，电子就不再能被单独处理，即使它们在物理上是分开的
散装材料中电子的绝对数量——大约每克1000万亿——意味着传统的强力方法甚至不能提供解决方案
电子的数量如此之大，以至于在量子尺度上思考时，它实际上是无限的
谢天谢地，量子物理学家已经开发出解决这个多电子问题的聪明方法
新的研究结合了四种这样的方法:变分蒙特卡罗、晶格正则化扩散蒙特卡罗、辅助场量子蒙特卡罗、标准和切片基密度矩阵重整化群
这些前沿方法各有优缺点
张说，将它们并行和协同使用可以提供一个更全面的图景
研究人员，包括这项新研究的作者，以前在2017年使用这些方法计算氢链中每个原子的能量，作为链间距的函数
这种被称为状态方程的计算，并不能提供一个完整的链条性质的图像
通过进一步完善他们的方法，研究人员做到了这一点
研究人员发现，在较大的分离度下，电子仍然局限于各自的质子
即使在如此大的距离上，电子仍然“了解”彼此并纠缠在一起
因为电子不能轻易地从一个原子跳到另一个原子，链就像一个电绝缘体
当原子靠得更近时，电子试图形成每个由两个氢原子组成的分子
因为质子固定在适当的位置，这些分子不能形成
相反，正如张所说，电子相互“波动”
电子会偏向邻近的原子
在这个阶段，如果你发现一个电子倾向于它的一个邻居，你会发现那个邻居的电子也有反应
这种电子对相互倾斜的模式将在两个方向上继续
研究人员将氢原子移动得更近，发现氢链从绝缘体转变为金属，电子在原子间自由移动
在一个被称为一维哈伯德模型的相互作用粒子的简单模型下，这种转变不应该发生，因为电子应该相互排斥，足以限制运动
20世纪60年代，英国物理学家奈维尔·莫特基于一种涉及所谓激子的机制预测了绝缘体到金属的转变的存在，每个激子由一个试图脱离其原子的电子和它留下的空穴组成
莫特提出了一个由这些激子的分裂驱动的突变——这是新的氢链研究没有看到的
相反，研究人员发现了更细微的绝缘体到金属的转变
随着原子越来越靠近，电子逐渐脱离质子线周围紧密结合的内核，变成一种稀薄的“蒸汽”，只是松散地结合在质子线上，显示出有趣的磁性结构
张说，无限氢链将是未来计算方法发展的一个关键基准
科学家可以用他们的方法来模拟这个链条，并根据新的研究来检查他们的结果的准确性和效率
研究人员说，这项新工作是利用计算方法来模拟现实材料的探索的一个飞跃
20世纪60年代，英国物理学家尼尔·阿什克罗夫特提出金属氢可能是一种高温超导体
虽然一维氢链在自然界中不存在(它会皱成三维结构)，但研究人员表示，他们学到的教训是开发处理更现实材料所需的方法和物理理解的关键一步
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