La memoria importa para el movimiento atómico cuántico en metales
Nuevos hallazgos con implicaciones para la catálisis heterogénea y el almacenamiento de energía
George Trenins y Mariana Rossi, del Grupo Lise Meitner del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD), han desarrollado una técnica eficaz para simular el impacto de la fricción electrónica en el movimiento atómico cuántico en interfaces metálicas. Aplicándola a átomos de hidrógeno sobre cobre, explican el origen físico de las velocidades de difusión observadas experimentalmente, ofreciendo una nueva perspectiva con implicaciones para la catálisis heterogénea y el almacenamiento de energía. Su trabajo se ha publicado ahora en Physical Review Letters (PRL).
La fricción electrónica es el principal mecanismo de disipación de energía de los átomos de hidrógeno que se difunden en las superficies de cobre. Dentro de la teoría de la trayectoria integral, su influencia en los efectos cuánticos nucleares se simula con "polímeros en anillo" (izquierda) que se mueven según la ecuación de Langevin generalizada (GLE). El nuevo trabajo permite realizar simulaciones dinámicas de este tipo para sistemas moleculares complejos.
G. Trenins
En diversas aplicaciones tecnológicas relacionadas con la generación y el almacenamiento de energía química, átomos y moléculas se difunden y reaccionan en superficies metálicas. Poder simular y predecir este movimiento es crucial para entender la degradación de los materiales y la selectividad química, así como para optimizar las condiciones de las reacciones catalíticas. Para ello es fundamental describir correctamente los componentes de los átomos: electrones y núcleos.
Un electrón es increíblemente ligero: su masa es casi 2.000 veces menor que la del núcleo más ligero. Esta disparidad de masas permite a los electrones adaptarse rápidamente a los cambios en las posiciones nucleares, lo que normalmente permite a los investigadores utilizar una descripción "adiabática" simplificada del movimiento atómico. Aunque ésta puede ser una aproximación excelente, en algunos casos los electrones se ven afectados por el movimiento nuclear hasta tal punto que es necesario abandonar esta simplificación y tener en cuenta el acoplamiento entre la dinámica de los electrones y la de los núcleos, lo que da lugar a los llamados "efectos no adiabáticos".
Un tipo de efecto no adiabático que es especialmente relevante para los metales se denomina fricción electrónica. Afecta a las probabilidades de que los átomos y las moléculas se adhieran a los metales, a la velocidad a la que disipan energía mediante vibraciones y a la velocidad a la que se difunden por las superficies metálicas. Si los núcleos fueran partículas clásicas, este fenómeno podría describirse como una fuerza de arrastre que los electrones ejercen sobre los núcleos al desplazarse por un entorno metálico.
Sin embargo, los núcleos atómicos son objetos cuánticos cuyo movimiento no concuerda con nuestra intuición cotidiana y es difícil de simular en un ordenador. A diferencia de los objetos clásicos, los núcleos atómicos poseen energía de punto cero inherente, lo que les facilita escapar de un pozo de energía potencial. También pueden experimentar un efecto túnel cuántico, abandonando el pozo aunque carezcan de energía suficiente para superar la barrera circundante. Estos efectos alteran la velocidad de las reacciones químicas en varios órdenes de magnitud y deben tenerse en cuenta en las simulaciones para obtener información física fiable.
En su reciente trabajo, George Trenins y Mariana Rossi han logrado combinar la fricción electrónica con una metodología práctica para simular los efectos cuánticos nucleares, basada en la formulación integral de la mecánica cuántica. Es importante destacar que su enfoque puede describir fuerzas de fricción que dependen no sólo del estado actual de los átomos, sino también de la trayectoria que siguieron en el pasado. La combinación de esta propiedad, conocida como "memoria", con los efectos de la energía de punto cero permitió a los investigadores explicar la inesperada concordancia entre las simulaciones clásicas anteriores y los resultados experimentales.
"Nuestro enfoque pretende obtener la respuesta correcta por la razón correcta", afirma Trenins. "Al captar la interacción entre los núcleos cuánticos y la fricción electrónica, podemos conocer en profundidad el intercambio de energía en las superficies conductoras y ayudar al diseño de nuevos catalizadores heterogéneos, como aleaciones de un solo átomo y materiales bidimensionales". Mariana Rossi añade: "Es muy emocionante disponer de un método que pueda aplicarse a sistemas más complejos en toda su dimensionalidad. Esto nos permitirá explorar estos efectos en sistemas que antes no eran susceptibles de tales simulaciones."
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