Dos Primeiros Princípios à Eletrodinâmica Quântica: Expansão dos Limites da Teoria com a Molécula de Hidrogênio

Técnicas espectroscópicas modernas permitem a determinação do espaçamento entre os níveis rovibracionais de H2 com uma precisão relativa de aproximadamente 10-11. Nesse nível extremo de precisão, efeitos sutis da eletrodinâmica quântica (QED), como auto-interação do elétron e polarização do vácuo, são investigados. Um modelo teórico que visa alcançar precisão semelhante deve descrever precisamente não apenas esses efeitos QED relativamente pequenos, mas também as contribuições mais significativas relacionadas à correlação eletrônica, acoplamento entre os movimentos eletrônicos e nucleares, e efeitos relativísticos. Embora a molécula de hidrogênio exiba a maioria dos fenômenos encontrados em moléculas maiores, ela é simples o suficiente para atender aos requisitos mencionados acima. Neste artigo, relatamos melhorias nas capacidades atuais dos cálculos mecânico-quânticos para a molécula de hidrogênio. Apresentamos um método baseado em funções exponenciais que captura completamente a correlação eletrônica ou, de forma mais ampla, a correlação entre partículas, permitindo uma descrição abrangente dos efeitos relacionados ao movimento nuclear. Especificamente, resolvemos a equação de Schrödinger de quatro partículas sem invocar aproximações comumente usadas, como a de um elétron ou a aproximação de Born-Oppenheimer. A única fonte de erro de energia não relativística vem do tamanho finito do conjunto de base. A função de onda explicitamente correlacionada não adiabática usada aqui é então empregada para determinar os efeitos relativísticos e QED. Como resultado, a energia de dissociação para os níveis rovibracionais mais baixos no estado eletrônico fundamental do H2 foi obtida com uma precisão relativa de 7 × 10-10, enquanto as frequências dos intervalos entre esses níveis foram determinadas com precisão sub-MHz, correspondendo a uma precisão relativa de 3 × 10-9. Consequentemente, as discrepâncias entre as medidas de maior precisão e previsões teóricas anteriores foram resolvidas.