洛桑聯邦理工學院研究人員在瞭解水的電子特性方面取得了重大突破

EPFL（洛桑聯邦理工學院）的研究人員在瞭解水--生命和環境的基本組成部分的電子特性方面取得了重大突破。水的重要性毋庸置疑。沒有水，生命就不會開始，更不用說延續至今，而海洋覆蓋了地球 70% 以上的面積。儘管液態水無處不在，但它的一些電子特性卻長期困擾着化學、物理和技術領域的科學家。例如，電子親和力，即自由電子被水俘獲時的能量穩定性，從實驗角度來看，其特徵仍然很不明顯。

水分子和與光子吸收產生的激子態相對應的電子密度。圖片來源：Krystian Tambur（背景）/Alexey Tal（水分子）

即使是當今最精確的電子結構理論也無法釐清這一問題，這意味着一些重要的物理量，如外部電子注入液態水的能量，仍然難以確定。這些特性對於理解電子在水中的行爲至關重要，並可能在生物系統、環境循環和太陽能轉換等技術應用中發揮作用。

在最近的一項研究中，EPFL 的研究人員阿列克謝-塔爾（Alexey Tal）、托馬斯-比肖夫（Thomas Bischoff）和阿爾弗雷多-帕斯誇雷洛（Alfredo Pasquarello）在破解這一難題方面取得了重大進展。他們的研究發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上，採用了超越當今最先進方法的計算方法來研究水的電子結構。

研究人員使用基於"多體擾動理論"的方法對水進行了研究。這是一種複雜的數學框架，用於研究一個系統中多個粒子（如固體或分子中的電子）之間的相互作用，探索這些粒子如何相互影響對方的行爲，而不是孤立地，而是作爲一個更大的、相互作用的羣體的一部分。相對簡單地說，多體擾動理論是一種計算和預測多粒子系統特性的方法，它考慮到了系統各組成部分之間所有複雜的相互作用。

但是，物理學家用"頂點修正"對理論進行了調整：多體擾動理論中的修正考慮到了粒子之間超出最簡單近似的複雜相互作用。頂點修正通過考慮這些相互作用如何影響粒子的能級，如粒子對外部場的響應或粒子的自能，來完善理論。簡而言之，頂點修正可以更準確地預測多粒子系統的物理特性。

液態水建模尤其具有挑戰性。水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，它們的熱運動和原子核的量子性質都起着關鍵作用。考慮到這些方面，研究人員準確地確定了水的電子特性，如電離勢、電子親和力和帶隙。這些發現對於瞭解水如何在電子層面上與光和其他物質相互作用至關重要。

阿爾弗雷多-帕斯誇雷洛（Alfredo Pasquarello）說："我們對水能級的研究協調了高層理論與實驗。得益於對電子結構的先進描述，我們還能夠生成精確的吸收光譜。"

這些發現還有其他意義。洛桑聯邦理工學院團隊應用的理論發展爲實現材料精確電子結構的普遍適用的新標準奠定了基礎。這提供了一種高度預測性的工具，有可能徹底改變我們對凝聚態科學中電子特性的基本認識，並應用於尋找具有特定電子功能的材料特性。

編譯來源：ScitechDaily