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量子化學的類比模擬研究取得進展

2019-12-18 理論物理研究所
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  基于量子化學的計算機模擬廣泛地應用于現代化學反應過程的研究中。但是隨著分子中原子數的增加,體系自由度的數目急劇地增長,這已經超越了經典超級計算機的計算能力。為了研究復雜分子的反應過程,可以利用量子模擬的方法,即通過精確控制和調節冷原子系統來模擬化學反應。

  最近在中國科學院理論物理研究所副研究員石弢參加的一項研究工作(Nature 574, 215(2019))中,通過設計光晶格中的冷原子實現了量子化學的類比模擬。在化學反應過程中,分子的性質由它的外層電子結構決定,而電子之間存在著庫侖相互作用。因此,量子化學類比模擬的一個至關重要的問題是如何實現中性原子間的庫侖相互作用。我們知道,在電子系統中,兩個電子通過傳遞一個虛光子產生庫侖力。基于類似的機制,可以設計方案實現中性費米原子間的庫侖相互作用。在這個方案中,利用在玻色原子背景中運動的費米原子模擬分子中的電子,同時通過外加激光場引起背景玻色原子從基態到激發態的躍遷。這些處于激發態的媒介玻色原子可以像光子一樣在光晶格中自由傳播,從而誘導費米原子間的相互作用。通過對激光場的頻率和強度、原子碰撞的散射長度、以及原子色散關系的有效設計,可以實現費米原子間的庫侖相互作用。

  這個方案不僅可以用來模擬小分子,例如氫分子和氦分子,而且可以用于由多個原子形成的復雜分子間化學反應的量子模擬。通過對比在小分子系統中經典超級計算機的計算結果,可以驗證這個量子化學模擬方案的有效性。在未來的工作中,通過對復雜分子化學反應的量子模擬,可以探索一些在現代經典超級計算機中難以研究的各種化學反應過程。

  論文鏈接

氫分子模擬

打印 責任編輯:葉瑞優

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