先进计算方法破解水的电子结构

本文转自：科技日报

科技日报北京2月27日电 （记者张佳欣）尽管液态水无处不在，但它具有一些错综复杂的电子特性，长期以来一直困扰着化学、物理和技术领域的科学家。据26日发表在最新一期《美国国家科学院院刊》上的论文称，瑞士洛桑联邦理工学院在破解这一难题方面取得了重大进展。他们使用了迄今最先进的计算方法，破解了水的电子结构问题。

此前，即使是最精确的电子结构理论也无法阐明水的电子特性，这意味着重要的物理量，例如外部来源的电子可被注入液态水的能量，仍然难以捉摸。这些性质对于理解电子在水中的行为至关重要，并可能在生物系统、环境循环和太阳能转换等技术应用中发挥作用。

在最新研究中，研究人员用一种基于“多体微扰理论”的方法研究了水。这是一个复杂的数学框架，用于研究一个系统中多个粒子（如固体或分子中的电子）间的相互作用，探索这些粒子如何影响彼此的行为。简而言之，多体微扰理论是一种计算和预测多粒子系统性质的方法，它考虑到了多粒子系统组件之间的所有复杂相互作用。不过，团队对该理论进行了修正，可更准确地预测多粒子系统中的物理性质。

对液态水进行建模尤其具有挑战性。水分子包含一个氧原子和两个氢原子，它们的热运动和原子核的量子性质都起着关键作用。考虑到这些方面，研究人员准确地确定了水的电子性质，如电离势、电子亲和力和带隙。这些发现对于理解水如何与光和其他物质在电子水平上相互作用至关重要。

这一发现也为建立准确且普遍适用的材料电子结构的新标准奠定了基础。这种高度可预测的工具，可能会在凝聚态科学中彻底改变人们对电子性质的基本理解，并可用于搜索具有特定电子功能的材料性质。