Учёные Мичиганского университета создали метод, который делает квантовые расчёты доступными для широкого круга учёных исследователей. Это открывает новые возможности для химии и материаловедения. Исследование опубликовано на сайте научного журнала Science.
Понимание химических реакций и свойств материалов занимает около трети времени суперкомпьютеров в национальных лабораториях США. В основе этих расчётов лежит задача квантового многотельного взаимодействия. Она описывает, как электроны формируют связи, определяют реактивность и электрическое поведение веществ.
Метод обеспечивает высокую точность, но требует огромных вычислительных ресурсов. Это ограничивает его применение малыми молекулами. Новая разработка позволяет распространить этот уровень точности на более крупные и сложные системы.
Ключевой подход в квантовой химии сегодня — теория функционала плотности (DFT). Она упрощает задачу, описывая распределение электронной плотности, а не отслеживая траектории всех электронов. Это позволяет моделировать системы с сотнями атомов. Однако главное ограничение — обменно-корреляционный (XC) функционал. Он описывает взаимодействия электронов.
До сих пор учёные использовали приближённые версии XC-функционала. Они подходили только для отдельных задач, снижая общую точность метода. Улучшение этого функционала — ключ к тому, чтобы DFT стал универсальным инструментом в химии и материаловедении.
По словам профессора механической инженерии Викрама Гавини, существует универсальный XC-функционал, применимый ко всем системам — молекулам, металлам и полупроводникам. Его точная форма пока неизвестна. Понимание этого функционала критически важно для дальнейшего развития DFT.
Проект поддержало Минэнергии США. Были предоставлены финансирование и ресурсы суперкомпьютеров. Команда начала с анализа отдельных атомов и небольших молекул, используя методы квантового многотельного моделирования. Вместо готовых приближений исследователи применили машинное обучение. Они определили, какой XC-функционал наиболее точно воспроизводит поведение электронов, рассчитанное строгими квантовыми методами.
Как пояснил первый автор работы, научный сотрудник Бикаш Канунго, точный XC-функционал имеет широкое применение. Он "не зависит от материала". Это важно для разработки новых аккумуляторов, создания лекарств и проектирования квантовых компьютеров.
Метод Мичиганского университета позволяет использовать найденный XC-функционал напрямую или применять их подход к другим системам. Начав с лёгких атомов и молекул, его можно расширить на твёрдые тела. Это откроет путь к более точным и эффективным симуляциям в химии, материаловедении и смежных областях науки.