פיזיקאים משכתבים חוקים קוונטיים – תיאוריות חדשות עשויות לחולל מהפכה במדעי החומרים

לפיזיקאים בטריניטי קולג' דבלין יש מכניקת קוונטים מתקדמת, המאפשרת סימולציות טובות יותר ופריצות דרך אפשריות בטכנולוגיות ירוקות.

אחיזה של נופי האנרגיה המדויקים של חלקיקים קוונטיים יכולה לשפר משמעותית את דיוק של הדמיות מחשב למדעי החומר. הדמיות אלו מסייעות בפיתוח חומרים מתקדמים ליישומים בפיזיקה, כימיה וטכנולוגיות בר קיימא. המחקר עוסק בשאלות ארוכות משנות ה-80, וסוללים את הדרך לפריצות דרך על פני דיסציפלינות מדעיות שונות.

קבוצה בינלאומית של פיזיקאים, בראשות חוקרים בטריניטי קולג' דבלין, פיתחה משפטים חדשים במכניקת הקוונטים המסבירים את "נופי האנרגיה" של אוספי חלקיקים קוונטיים. עבודתם פותרת שאלות בנות עשרות שנים, וסוללת את הדרך להדמיות ממוחשבות מדויקות יותר של חומרים. התקדמות זו עשויה לסייע באופן משמעותי למדענים בתכנון חומרים המוכנים לחולל מהפכה בטכנולוגיות ירוקות.

המשפטים החדשים פורסמו זה עתה בכתב העת הבולט מכתבי סקירה פיזית. התוצאות מתארות כיצד האנרגיה של מערכות של חלקיקים (כגון אטומים, מולקולות וחומר אקזוטי יותר) משתנה כאשר המגנטיות וספירת החלקיקים שלהם משתנות. פתרון בעיה פתוחה חשובה לסימולציה של חומר באמצעות מחשבים, זה מרחיב סדרה של עבודות ציון דרך שהחלו מתחילת שנות ה-80.

עבודת העט-נייר המשולבת והעבודה החישובית נעשתה על ידי אנדרו בורגס, מועמד דוקטורט בבית הספר לפיזיקה של טריניטי, יחד עם ד"ר אדוארד לינסקוט, ממכון פול שרר בשוויץ, וד"ר דיוויד או'רגן, פרופסור חבר לפיזיקה ב- שְׁלִישִׁיָה.

תפקידן של הדמיות מחשב במדעי החומר

החקירה וההבנה של מולקולות וחומרים באמצעות הדמיית מחשב היא תחום מחקר בוגר ומשגשג. יש לו רקורד ארוך של הצלחה במשך כמה עשורים, וכמה חומרים בשימוש נוכחי פותחו בעזרת סימולציות כאלה. כאשר לומדים מערכות ברמה האטומית, המשוואות המתארות את החלקיקים ואת האינטראקציות ביניהם הן של מכניקת הקוונטים.

משוואות אלו תובעניות מאוד, ויש להעריך אותן לצורך סימולציות מעשיות. האומנות של הפיכת קירובים כאלה לאמינים יותר, תוך שמירה על עלויות החישוב ניתנות לניהול, מתקרבת ל-100^ה' שָׁנָה. עבודה זו מונחית יותר ויותר על ידי קומץ ה"תנאים המדויקים" הידועים, כלומר כללים מוגדרים מתורת הקוונטים, כמו אלו שנמצאו כאן.

בהסבירו כיצד לדמיין את מה שהצוות גילה, אומר ד"ר דיוויד או'רגאן: "דמיין עמק בעל צדדים תלולים, שבו הקרקע אינה מעוקלת אלא מורכבת מאריחים זוויתיים, כמו שאתה עשוי לראות במשחק ארקייד ישן שבו תמונות נעשו באמצעות מצולעים.

"מצאנו שפרופיל הגובה בעמקים שבורים כמו זה מייצג את האנרגיה המדויקת של אוספים מבודדים של חלקיקים, כמו מולקולות. כיוון ישר במעלה העמק מתאים לשינוי מספר האלקטרונים המחזיקים יחד את המולקולה, בעוד שתנועה לכל צד מגבירה את המגנטיות שלה. עבודה זו משלימה את המיפוי של העמק הזה עד למצבים מגנטיים גבוהים, ומגלה שקירות העמק תלולים ונטויים".

תובנות על משפטי מכאני קוונטים

אנדרו בורגס, המחבר הראשי, מתאר ביתר פירוט כיצד התגלית הגיעה, ואמר "בזמן שעבדתי על בעיה אחרת, הייתי צריך לדעת את הצורה של עמק האנרגיה הזה עבור מערכות פשוטות. בחיפוש אחר מחקרים שפורסמו, יכולתי למצוא הרבה גרפים נחמדים, אבל להפתעתי, הם הפסיקו למפות את כל העמק. הבנתי שניתן להשתמש במשפטים מכאניים קוונטיים קיימים עבור מערכות עם אלקטרון אחד כמו המימן אָטוֹם. עם זאת, עבור מערכות עם שני אלקטרונים כמו אטום הליום, משפטים אלה יכולים לספר לי מעט על הצדדים של העמק. באופן ספציפי, משפט מכאני קוונטים המכונה מצב קביעות הספין לא היה שלם."

ד"ר אדוארד לינסקוט, מהמעבדה לסימולציות חומרים ב-PSI, מסביר את המשמעות של ממצאי הצוות, ומוסיף: "הבנת הגיאוגרפיה של נוף האנרגיה הזה עשויה להיראות די מופשטת ואזוטרית – אבל למעשה, הידע הזה יכול לעזור לפתור כל מיני דברים אמיתיים -בעיות בעולם. כאשר עמיתים שלנו משתמשים בהדמיות מחשב כדי לנסות למצוא חומרים מהדור הבא לפאנלים סולאריים יעילים יותר, או זרזים לכימיה תעשייתית יעילה יותר באנרגיה, ניתן לאפות את הידע שלנו על נוף האנרגיה בחישובים שהם מבצעים, ולבצע את התחזיות שלהם. מדויק ואמין יותר."

ד"ר או'רגן הוסיף: "הבדלי האנרגיה והמדרונות של נוף העמק הזה עומדים בבסיס היציבות של החומר, אינטראקציות בין חומרים לאור, תגובות כימיות והשפעות מגנטיות. הידיעה כיצד נראה כל פני העמק, כולל במגנטיזציה גבוהה, כבר עוזרת לנו לבנות כלים טובים יותר להדמיית חומרים מורכבים, גם כשהם אינם מגנטיים.

"המניע לעבודה זו הוא הצורך לספק תיאוריית סימולציה משופרת ושיטות לפיתוח חומרים ליישומי אנרגיה מתחדשת וכימיה. כאשר סוללה מתרוקנת, למשל, ישנם אטומי מתכת המשנים את ספירת החלקיקים והמגנטיות שלהם. כאן אנו רואים שאנו נעים באותו נוף עמק והירידה בגובה, כביכול, היא שנותנת את האנרגיה שהסוללה מספקת. זוהי דוגמה לסימולציה יישומית ותורת קוונטים מופשטת המתורגלים זה לצד זה, כל אחד מניע ומשפר את השני".

מר ברג'ס הרהר על אופיו של מחקר מסוג זה, הוסיף: "האינטראקציה הזו בין תיאוריה לסימולציה מעשית היא הדבר שאני הכי אוהב בתחום המחקר הזה. כבר פיתחנו שיטה חדשה למידול חומרים המבוססים על משפטים אלה ובודקים אותה על חומרים קתודיות של סוללה, כך שיש הרבה עבודה מרגשת בצנרת!"

המחקר מומן על ידי מועצת המחקר האירית והקרן הלאומית למדע השוויצרית.