خلاصه خبر:
تا کنون شبیه سازی های مولکولی معمولا با استفاده از نظیه تابعی چگالی(DFT) انجام می‌شده است. اما این نظریه درهمتنیدگی الکترون ها را در بر ندارد و وقتی که مواد اثرات کوانتومی از خود نشان می‌دهند به خوبی قبل کار نمی‌کند. سه محقق در دانشگاه شیکاگو مقاله ای منتشر کرده اند که در آن با تصحیح الگوریتم DFT می‌توانند اثرات کوانتومی را وارد کنند بدون اینکه اختلالی در کد قبلی وارد شود. این تکنیک می‌تواند منجر به کشف مواد جدید بسیاری در تمام حوزه ها از آنزیم ها گرفته تا سلول های خورشیدی شود.
توضیحات تکمیلی:
مانند انسان‌هایی که آنها را خلق کرده‌اند، کامپیوترها هم فیزیک را سخت می‌بینند، مکانیک کوانتومی از آن هم برایشان سخت تر است. اما تکنیک جدیدی که توسط سه دانشمند دانشگاه شیکاگو ایجاد شده است به کامپیوترها اجازه می‌دهد تا اثرات مکانیکی کوانتومی چالش برانگیز را در مواد الکترونیکی پیچیده با تلاش بسیار کمتر شبیه‌سازی کنند. دانشمندان امیدوارند با استفاده از این شبیه‌سازی‌های دقیق‌تر و کارآمدتر، بتواند به کشف مولکول‌ها و مواد جدید، مانند انواع سلول‌های خورشیدی یا رایانه‌های کوانتومی کمک کند.
Daniel Gibney ، دانشجوی دکترای شیمی دانشگاه شیکاگو که نویسنده اول این مقاله است، در رابطه می‌گوید: «این پیشرفت دارای پتانسیل بسیار زیادی برای افزایش درک ما از پدیده‌های مولکولی است که پیامدهای مهمی برای شیمی، علم مواد و زمینه‌های مرتبط دارد.»
یک برگ درخت یا یک پنل خورشیدی از بیرون صاف و ساده به نظر می رسد، اما وقتی تا سطح مولکولی بزرگنمایی کنید، جنب و جوش های بسیار پیچیده ای از مولکول ها را خواهید دید. به منظور ایجاد پیشرفت های جدید در رشد اقتصادی، تولیدات صنعتی، کشاورزی و بسیاری از زمینه های دیگر، دانشمندان رفتار این برهمکنش های شیمیایی و مولکولی را مدلسازی می کنند. این کمک می کند تا امکانات طراحی مواد جدید در همه‌ی زمینه ها بررسی شود؛ از روش های جدید برای جداسازی دی اکسید کربن گرفته تا انواع جدیدی از کیوبیت های کوانتومی. در دهه‌های گذشته گام‌های زیادی برداشته شده است،
اما یکی از زمینه‌هایی که شبیه‌سازی آن بسیار دشوار بوده، زمانی است که مولکول‌ها رفتارهای مکانیکی کوانتومی از خود نشان می‌دهند که دانشمندان آن را همبستگی قوی می‌نامند. مشکل اینجاست که به محض اینکه الکترون‌ها شروع به نشان دادن اثرات مکانیکی کوانتومی خود مانند درهمتنیدگی می‌کنند، شبیه سازی ها به قدرت محاسباتی بسیار بیشتری نیاز دارند. حتی ابرکامپیوترها هم در این موارد کاملا کارآمد نبوده اند.
یکی از محاسبات رایج، نظریه تابعی چگالی(DFT) نام دارد. دیوید مازیوتی، استاد شیمی و نویسنده ارشد این مطالعه توضیح داد: «این اساساً فراگیرترین تکنیک برای پیش‌بینی ساختار الکترونیکی است، اما اساساً یک تقریبی است که در آن همه الکترون‌ها تنها در یک حالت هستند. برای بسیاری از محاسبات، این تقریب کارمی‌کند. اما زمانی که الکترون‌ها همبستگی بیشتری پیدا می‌کند اثرات مکانیک کوانتومی بیشتر می‌شود و این تقریب شروع به شکسته شدن می‌کند، در مکانیک کوانتومی، این الکترون‌ها می‌توانند به طور همزمان در چندین مکان یا اوربیتال باشند. این نه تنها مغز انسان، بلکه نظریه عملکردی چگالی را نیز مختل می کند و این یک مشکل مهم است، زیرا بسیاری از مسائلی که در قرن بیست و یکم به آنها اهمیت می‌دهیم : مانند مولکول‌ها و مواد جدید برای انرژی‌های تجدیدپذیر و پایداری رشد اقتصادی، ما را ملزم به بهره‌برداری از ماهیت کوانتومی مواد می‌کند.
Mazziotti، Gibney و نویسنده سوم Jan-Niklas Boyn دریافتند که می‌توانند یک تصحیح جهانی به نظریه تابعی چگالی اضافه کنند که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد در یک لحظه در هم تنیده شوند. مازیوتی می‌گوید: «این به اوربیتال‌های محاسباتی اجازه می‌دهد که نه تنها کاملاً پر یا کاملاً خالی باشند، بلکه در هر نقطه‌ای در این بین باشند». ما به یک تصویر تک‌الکترونی می‌رسیم که هنوز می‌تواند رفتاری را که از اثرات همبستگی الکترون‌ها در سیستم چند ذره ای ناشی می‌شود، تصویر کند.»
به گفته دانشمندان، به عنوان یک امتیاز، می توان کد را بدون نیاز به بازنویسی آن به الگوریتم های موجود اضافه کرد. اصولاً، اصلاح هر زمان که لازم باشد وارد می‌شود، اما در غیر این صورت با بقیه کد تداخلی ایجاد نمی‌کند. همچنین جامعیت دارد: از این جهت که می‌توان آن را به کد شبیه‌سازی بسیاری از رفتارهای الکترونیکی، خواه پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک یا جداسازی کربن یا مواد ابررسانا – یا حتی زیست‌شناسی اضافه کرد. به عنوان مثال، بوین توضیح داد، یک کاربرد می تواند در درک شیمی باشد، که با استفاده از آنزیم های حاوی اتم های فلز، معروف به متالوآنزیم ها انجام می شود. مثلاً تعداد زیادی متالوآنزیم مسئول بسیاری از مواد شیمیایی در سلول‌های شما هستند، اما توصیف آنها با مدل‌های کنونی بسیار سخت است. این نظریه می‌تواند در آینده ما را با نوعی از شیمی رو به رو کند که تا امروز غیرممکن بوده است.
منبع
Daniel Gibney et al, Universal Generalization of Density Functional Theory for Static Correlation, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.243003
