密歇根大學的研究人員開發了一種新方法，為分子建模帶來了量子級別的準確性，為化學和材料科學中廣泛使用的模擬方法提供了全新的見解。在美國的國家實驗室中，理解化學反應和材料特性大約消耗了三分之一的超級計算機運行時間。這項研究的核心是量子多體問題，該問題描述了電子之間的相互作用，這對於確定化學鍵、反應性和電氣行為至關重要。儘管這種方法提供了無與倫比的準確性，但其計算需求非常高，限制了其在非常小的分子上的應用，然而這些見解有可能延展至更大、更複雜的系統。
密度泛函理論（DFT）使量子化學變得更易管理，因為它專注於電子密度，而不是追蹤每個電子的個別行為。這種方法大大降低了計算需求，使得能夠模擬包含數百個原子的系統。然而，一個主要挑戰在於交換-相關（XC）泛函，這決定了根據量子力學電子如何相互作用。至今為止，研究人員一直需要依賴於針對特定應用量身定制的XC泛函近似，這限制了這一理論的整體準確性。因此，改善這一泛函是使DFT成為化學和材料科學中更強大工具的關鍵。
根據密歇根大學機械工程教授Vikram Gavini的說法，研究人員已經知道存在一種普遍的XC泛函，適用於所有電子系統，無論是在分子、金屬還是半導體中，但其具體形式仍然未知。因此，理解這一泛函對於改善DFT至關重要，因為DFT模擬電子相互作用，並為化學和材料科學中的模擬提供基礎。
考慮到DFT在推進材料研究和基礎科學中的核心作用，美國能源部提供了資金和超級計算機資源，以支持密歇根大學團隊尋求普遍交換-相關泛函的努力。研究人員首先利用量子多體理論分析個別原子和小分子。接著，他們不再使用近似的泛函來預測電子行為，而是利用機器學習來確定哪種XC泛函能夠重現更精確的量子多體方法計算出的電子行為。
密歇根大學的機械工程助理研究科學家Bikash Kanungo解釋說，準確的交換-相關泛函具有廣泛的應用，因為它不受材料的限制。這對於研究更好的電池材料、設計新藥物或建造量子計算機的研究人員同樣重要。通過改善這一泛函，科學家能夠使密度泛函理論變得更可靠和廣泛應用，從而在化學、材料科學和新興技術中實現更精確的模擬。因此，研究人員現在可以使用密歇根大學團隊發現的XC泛函，或將其方法應用於新的系統，從輕元素和分子開始，最終擴展到固體，為化學和材料科學中的更準確和高效的模擬鋪平道路。
