Una catena di atomi di idrogeno rappresenta la più semplice configurazione di materiale immaginabile – una singola linea infinita di protoni, circondati da elettroni. Tuttavia, un nuovo studio computazionale, che mette insieme quattro metodi molto avanzati, dimostra che questo materiale così semplice possiede delle proprietà quantistiche alquanto sorprendenti.
Un gruppo internazionale di ricercatori del Flatiron Institute e della Simons Collaboration on the Many Electron Problem, calcolando le conseguenze dovute alla variazione dello spazio tra gli atomi, ha trovato che le proprietà della catena di idrogeno possono essere modificate in modi drastici e inaspettati. Per esempio, la catena può passare dallo stato di isolante magnetico a quello metallico. I risultati dello studio sono stati pubblicati sul Physical Review X.
Shiwei Zhang, un ricercatore del Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute e responsabile dello studio, afferma che i metodi computazionali utilizzati nello studio rappresentano un significativo passo avanti verso la progettazione personalizzata di materiali con particolari proprietà, come la possibilità della superconduttività ad alta temperatura, in cui gli elettroni fluiscono liberamente, attraverso un materiale, senza perdita di energia.
Lo scopo principale della ricerca era quello di trovare un’applicazione reale degli strumenti utilizzati. Le interessanti proprietà della catena di idrogeno sono state scoperte a margine dello studio, che ha visto coinvolti, complessivamente, 17 autori, e nell’ambito del quale sono stati utilizzati dei metodi sviluppati in singoli gruppi di ricerca.
Mentre i metodi convenzionali possono spiegare le proprietà di alcuni materiali, altri materiali, come le catene infinite di atomi di idrogeno, sottopongono i ricercatori a sfide computazionali più ardue. Il motivo di questa complessità è legato al fatto che il comportamento degli elettroni, all’interno di questi materiali, è fortemente influenzato dalle interazioni tra gli stessi elettroni. Nel momento in cui gli elettroni interagiscono, si stabilisce fra di loro l’effetto quanto-meccanico dell’entanglement. Una volta che gli elettroni si sono legati, non possono più essere trattati singolarmente, anche quando sono fisicamente separati.
L’enorme numero di elettroni in un materiale – circa 10^23 per grammo – significa che i metodi convenzionali non sono in grado di fornire una soluzione soddisfacente. Il numero di elettroni è così elevato che, quando il problema è trattato su scala quantistica, può essere considerato praticamente infinito.
Fortunatamente, i fisici quantistici hanno sviluppato dei metodi intelligenti per affrontare questo problema a molti elettroni. Il nuovo studio mette insieme i seguenti quattro metodi: il metodo variazionale Monte Carlo, la diffusione Monte Carlo reticolare regolarizzata, il metodo Monte Carlo quantistico a campo ausiliario, il gruppo di rinormalizzazione a matrice densità standard e a struttura a porzioni. Ognuno di questi metodi ha i suoi punti di forza e punti deboli.
Già nel 2017, questi metodi erano stati utilizzati per calcolare la quantità di energia posseduta da ogni atomo di una catena di idrogeno, in funzione dello spazio tra due atomi della catena. Questo calcolo, noto come equazione di stato, non fornisce comunque una descrizione completa delle proprietà della catena. L’affinamento dei calcoli precedenti ha permesso di giungere agli attuali risultati.
Se gli atomi della catena sono molto distanti, è stato rilevato che gli elettroni rimangono confinati ai loro rispettivi protoni. Anche a tali distanze, gli elettroni sentono ancora la presenza reciproca e si legano (entanglement). Dal momento che gli elettroni non possono saltare così facilmente da un atomo all’altro, la catena si comporta come un isolante elettrico.
All’avvicinarsi degli atomi, gli elettroni cercano di formare delle molecole, ciascuna con due atomi di idrogeno. Ma dal momento che i protoni sono fissi nello spazio, queste molecole non riescono a formarsi. Gli elettroni, invece, ondeggiano l’uno verso l’altro, avvicinandosi all’atomo adiacente. In questa fase, se un elettrone cerca di avvicinarsi a uno degli atomi adiacenti, l’elettrone adiacente risponderà con lo stesso tipo di azione. Questo movimento di coppie di elettroni, che si avvicinano reciprocamente, si svolge in entrambe le direzioni.
Avvicinando ancora di più gli atomi di idrogeno, i ricercatori hanno scoperto che la catena di idrogeno si trasforma da isolante a metallo, con gli elettroni che si muovono liberamente tra gli atomi. Nelle condizioni previste da un semplice modello di interazione fra particelle, chiamato modello Hubbard unidimensionale, questa transizione non ci sarebbe, poiché tra gli elettroni dovrebbe esercitarsi una forte azione repulsiva, tale da limitarne il movimento.
Negli anni Sessanta, il fisico inglese Nevill Mott aveva previsto l’esistenza di una transizione da isolante a metallo, basata su un meccanismo che coinvolgeva i cosiddetti eccitoni, ognuno costituito da un elettrone, che cerca di rendersi libero dal suo atomo, e dalla corrispondente lacuna lasciata da questo elettrone. Mott aveva proposto una brusca transizione guidata dalla rottura di questi eccitoni – qualcosa che il nuovo studio sulla catena di idrogeno non ha rilevato.
I ricercatori, invece, hanno scoperto una transizione isolante-metallo, leggermente più sfumata. Man mano che gli atomi si avvicinano reciprocamente, gli elettroni si staccano gradualmente dal nucleo interno, strettamente legato, attorno alla linea dei protoni e si trasformano in un sottile vapore, solo debolmente legato alla linea dei protoni, manifestando inoltre delle interessanti strutture magnetiche.
Secondo Zhang, la catena infinita di idrogeno diventerà un punto di riferimento chiave per lo sviluppo futuro dei metodi computazionali.
Il nuovo lavoro rappresenta un passo avanti nel tentativo di utilizzare i metodi computazionali per modellare materiali reali. Sempre negli anni Sessanta, un altro fisico inglese, Neil Ashcroft, propose che l’idrogeno metallico, per esempio, potesse essere un superconduttore ad alta temperatura. Se da una parte la catena di idrogeno unidimensionale non esiste in natura, i ricercatori ritengono che le lezioni apprese da questo studio rappresentano un passo avanti cruciale nello sviluppo dei metodi e della comprensione fisica necessari per affrontare materiali ancora più realistici.
