Các chuyển động cực nhỏ này giúp xác định cách vật liệu phân hủy, tốc độ xảy ra phản ứng hóa học và hiệu quả truyền năng lượng. Nhưng mô phỏng chính xác chuyển động của nguyên tử không đơn giản như bạn nghĩ, đặc biệt là khi vật lý lượng tử được áp dụng.

Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân ở trung tâm và các electron xung quanh nhẹ hơn nhiều. Vì các electron rất nhẹ, nhẹ hơn gần 2.000 lần so với hạt nhân nguyên tử nhỏ nhất, nên chúng có xu hướng phản ứng gần như ngay lập tức khi hạt nhân chuyển động.

Trên bề mặt kim loại, tương tác giữa các electron và hạt nhân nguyên tử khá phức tạp. Trong những tình huống này, các electron không thể điều chỉnh ngay lập tức theo chuyển động hạt nhân và tương tác này trở nên quan trọng. Một hiệu ứng chính xảy ra được gọi là “ma sát điện tử”.

Nó giống như lực cản do electron gây ra, làm chậm các nguyên tử di chuyển trên bề mặt kim loại. Điều này ảnh hưởng đến cách các nguyên tử bám dính, rung động và lan truyền trên kim loại.

Đây chính là lúc mọi thứ trở nên thực sự khó khăn. Hạt nhân nguyên tử không hoạt động như những quả bóng lăn trên bề mặt. Chúng là các hạt lượng tử. Chúng có một loại chuyển động tích hợp gọi là năng lượng điểm không, nghĩa là chúng không bao giờ hoàn toàn ở trạng thái nghỉ.

Chúng thậm chí có thể đi xuyên qua các rào cản, thoát khỏi những khu vực mà chúng không thể làm được trong vật lý cổ điển. Những hành vi lượng tử này có thể thay đổi đáng kể cách các phản ứng hóa học diễn ra, và chúng cực kỳ khó để mô hình hóa.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Physical Review Letters, các nhà khoa học George Trenins và Mariana Rossi tìm ra cách kết hợp ma sát điện tử và hành vi lượng tử phức tạp của hạt nhân nguyên tử.

Họ sử dụng một phương pháp từ cơ học lượng tử, gọi là công thức tích phân đường dẫn. Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng không chỉ vị trí của các nguyên tử mà còn cả cách chuyển động trong quá khứ của chúng ảnh hưởng đến hành vi hiện tại của chúng, thứ gọi là “bộ nhớ”.

Bằng cách đưa cả hiệu ứng bộ nhớ và các đặc tính lượng tử như năng lượng điểm không, phương pháp của họ cuối cùng có thể giải thích được sự kết hợp kỳ lạ giữa các mô hình đơn giản hóa trước đây và kết quả thử nghiệm thực tế.

Công trình của các nhà khoa học giúp chúng ta hiểu cách năng lượng trao đổi trên bề mặt kim loại, có thể dẫn đến khám phá các vật liệu tốt hơn cho các công nghệ như chất xúc tác nguyên tử hoặc vật liệu hai chiều sử dụng trong điện tử và năng lượng sạch.