EPFL（洛桑联邦理工学院）的研究人员在了解水--生命和环境的基本组成部分的电子特性方面取得了重大突破。水的重要性毋庸置疑。没有水，生命就不会开始，更不用说延续至今，而海洋覆盖了地球 70% 以上的面积。尽管液态水无处不在，但它的一些电子特性却长期困扰着化学、物理和技术领域的科学家。例如，电子亲和力，即自由电子被水俘获时的能量稳定性，从实验角度来看，其特征仍然很不明显。
水分子和与光子吸收产生的激子态相对应的电子密度。图片来源：Krystian Tambur（背景）/Alexey Tal（水分子）
即使是当今最精确的电子结构理论也无法厘清这一问题，这意味着一些重要的物理量，如外部电子注入液态水的能量，仍然难以确定。这些特性对于理解电子在水中的行为至关重要，并可能在生物系统、环境循环和太阳能转换等技术应用中发挥作用。
在最近的一项研究中，EPFL 的研究人员阿列克谢-塔尔（Alexey Tal）、托马斯-比肖夫（Thomas Bischoff）和阿尔弗雷多-帕斯夸雷洛（Alfredo Pasquarello）在破解这一难题方面取得了重大进展。他们的研究发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上，采用了超越当今最先进方法的计算方法来研究水的电子结构。
研究人员使用基于"多体扰动理论"的方法对水进行了研究。这是一种复杂的数学框架，用于研究一个系统中多个粒子（如固体或分子中的电子）之间的相互作用，探索这些粒子如何相互影响对方的行为，而不是孤立地，而是作为一个更大的、相互作用的群体的一部分。相对简单地说，多体扰动理论是一种计算和预测多粒子系统特性的方法，它考虑到了系统各组成部分之间所有复杂的相互作用。
但是，物理学家用"顶点修正"对理论进行了调整：多体扰动理论中的修正考虑到了粒子之间超出最简单近似的复杂相互作用。顶点修正通过考虑这些相互作用如何影响粒子的能级，如粒子对外部场的响应或粒子的自能，来完善理论。简而言之，顶点修正可以更准确地预测多粒子系统的物理特性。
液态水建模尤其具有挑战性。水分子包含一个氧原子和两个氢原子，它们的热运动和原子核的量子性质都起着关键作用。考虑到这些方面，研究人员准确地确定了水的电子特性，如电离势、电子亲和力和带隙。这些发现对于了解水如何在电子层面上与光和其他物质相互作用至关重要。
阿尔弗雷多-帕斯夸雷洛（Alfredo Pasquarello）说："我们对水能级的研究协调了高层理论与实验。得益于对电子结构的先进描述，我们还能够生成精确的吸收光谱。"
这些发现还有其他意义。洛桑联邦理工学院团队应用的理论发展为实现材料精确电子结构的普遍适用的新标准奠定了基础。这提供了一种高度预测性的工具，有可能彻底改变我们对凝聚态科学中电子特性的基本认识，并应用于寻找具有特定电子功能的材料特性。
编译来源：ScitechDaily