- Comprender la forma exacta del paisaje energético de las partículas cuánticas puede hacer que las simulaciones por computadora de materiales sean mucho más precisas.
- Tales simulaciones están ayudando a diseñar materiales de próxima generación para su uso en física, química y tecnologías ecológicas.
- Este trabajo aborda cuestiones que no se han respondido por completo desde la década de 1980, abriendo la puerta al progreso científico en una serie de campos relacionados.
Un equipo internacional de físicos, con sede en el Trinity College de Dublín, ha demostrado nuevos teoremas en mecánica cuántica que describen los “paisajes energéticos” de colecciones de partículas cuánticas. Su trabajo aborda cuestiones de hace décadas, abriendo nuevas vías para hacer que la simulación por computadora de materiales sea mucho más precisa. Esto, a su vez, puede ayudar a los científicos a diseñar un conjunto de materiales que podrían revolucionar las tecnologías ecológicas.
Los nuevos teoremas acaban de publicarse en la destacada revista Physical Review Letters. Los resultados describen cómo cambia la energía de los sistemas de partículas (como átomos, moléculas y materia más exótica) cuando cambian su magnetismo y su cantidad de partículas. Al resolver un problema abierto importante para la simulación de materia usando computadoras, esto amplía una serie de trabajos históricos que comienzan a principios de la década de 1980.
El trabajo combinado de bolígrafo y papel y computacional lo realizaron Andrew Burgess, candidato a doctorado en la Escuela de Física de Trinity, junto con el Dr. Edward Linscott, del Instituto Paul Scherrer de Suiza, y el Dr. David O’Regan, profesor asociado de Física en Trinity.
La exploración y comprensión de moléculas y materiales mediante simulación por computadora es un área de investigación madura y próspera. Tiene un largo historial de éxito durante varias décadas, y varios materiales de uso actual se desarrollaron con la ayuda de tales simulaciones. Cuando se estudian sistemas a nivel atómico, las ecuaciones que describen las partículas y sus interacciones son las de la mecánica cuántica.
Estas ecuaciones son muy exigentes y deben aproximarse para las simulaciones prácticas. El arte de hacer que tales aproximaciones sean más confiables, mientras se mantienen los costos computacionales manejables, se acerca a su 100ésimo año. Este trabajo está cada vez más guiado por el puñado de “condiciones exactas” conocidas, es decir, reglas definidas de la teoría cuántica, como las que se encuentran aquí.
Al explicar cómo visualizar lo que descubrió el equipo, el Dr. David O’Regan dice: “Imagina un valle de lados empinados, donde el suelo no es curvo sino que está formado por baldosas angulares, como las que podrías ver en un juego de arcade antiguo donde las imágenes estaban hechas usando polígonos.
“Hemos descubierto que el perfil de altura en valles fracturados como este representa la energía exacta de colecciones aisladas de partículas, como moléculas. Dirigirse directamente hacia arriba por el valle corresponde a cambiar el número de electrones que mantienen unida la molécula, mientras que moverse hacia cada lado aumenta su magnetismo. Este trabajo completa el mapeo de este valle hasta estados magnéticos altos, encontrando que las paredes del valle son empinadas e inclinadas”.
Andrew Burgess, autor principal, describe con más detalle cómo se produjo el descubrimiento, diciendo: “Mientras trabajaba en un problema diferente, necesitaba conocer la forma de este valle energético para sistemas simples. Al buscar en la investigación publicada, pude encontrar muchas gráficas bonitas, pero para mi sorpresa, se detuvieron antes de mapear todo el valle. Me di cuenta de que los teoremas de mecánica cuántica existentes se podían utilizar para sistemas con un electrón, como el átomo de hidrógeno. Sin embargo, para sistemas con dos electrones como el átomo de helio, estos teoremas podían decirme poco sobre los lados del valle. Específicamente, un teorema de mecánica cuántica conocido como la condición de constancia de espín estaba incompleto”.
Dr. Edward Linscott, del Laboratorio de Simulaciones de Materiales del PSI, explica la importancia de los hallazgos del equipo, añadiendo: “Comprender la geografía de este paisaje energético puede parecer bastante abstracto y esotérico, pero en realidad, este conocimiento puede ayudar a resolver todo tipo de problemas del mundo real. Cuando nuestros colegas utilizan simulaciones por computadora para intentar encontrar materiales de próxima generación para paneles solares más eficientes o catalizadores para una química industrial más eficiente energéticamente, nuestro conocimiento del paisaje energético se puede integrar en los cálculos que realizan, lo que hace que sus predicciones sean más precisas y confiables”.
Dr. O’Regan añadió: “Las diferencias de energía y las pendientes de este paisaje del valle sustentan la estabilidad de la materia, las interacciones entre los materiales y la luz, las reacciones químicas y los efectos magnéticos. Saber cómo se ve toda la superficie del valle, incluso a alta magnetización, ya nos está ayudando a construir mejores herramientas para simular materiales complejos, incluso cuando no son magnéticos.
“Motivando este trabajo está la necesidad de proporcionar mejores métodos y teoría de simulación para el desarrollo de materiales para aplicaciones de energía renovable y química. Cuando una batería se está descargando, por ejemplo, hay átomos metálicos que cambian su cantidad de partículas y magnetismo. Aquí vemos que nos movemos en ese mismo paisaje del valle y es la caída de altura, por así decirlo, la que da la energía que proporciona la batería. Este es un ejemplo de simulación aplicada y teoría cuántica abstracta que se practican lado a lado, motivándose y mejorando mutuamente”.
Reflexionando sobre la naturaleza de este tipo de investigación, el Sr. Burgess añadió: “Esta interacción entre la teoría y la simulación práctica es lo que más me gusta de esta área de investigación. Ya hemos desarrollado un nuevo método para modelar materiales basado en estos teoremas y lo estamos probando en materiales de cátodo de batería, ¡así que hay mucho trabajo emocionante en camino!”
Journal
Physical Review Letters