毫無疑問，水的重要性。沒有它，生命永遠不會開始，更不用說延續到今天——更不用說它在環境本身中的作用了，因為海洋覆蓋了地球 70% 以上的面積。

盡管液態水無處不在，但它具有一些復雜的電子特性，長期以來一直困擾著化學、物理學和技術領域的科學家。例如，從實驗的角度來看，電子親和力，即自由電子被水捕獲時所經歷的能量穩定，仍然很少被表征。

即使當今最精確的電子結構理論也無法闡明這一情況，這意味著重要的物理量(例如外部源的電子注入液態水中的能量)仍然難以捉摸。這些特性對于理解水中電子的行為至關重要，并且可能在生物系統、環境循環和太陽能轉換等技術應用中發揮作用。

在最近的一項研究中，洛桑聯邦理工學院的研究人員阿列克謝·塔爾(Alexey Tal)、托馬斯·比肖夫(Thomas Bischoff)和阿爾弗雷多·帕斯夸雷洛(Alfredo Pasquarello)在破解這個謎題方面取得了重大進展。他們的研究發表在《美國國家科學院院刊》上，使用超越當今最先進方法的計算方法來解決水的電子結構。

研究人員使用基于“多體微擾理論”的方法研究了水。這是一個復雜的數學框架，用于研究系統內多個粒子(例如固體或分子中的電子)的相互作用，探索這些粒子如何影響彼此的行為，不是孤立的，而是作為一個更大的相互作用群體的一部分。相對簡單地說，多體微擾理論是一種通過考慮多粒子系統組件之間的所有復雜相互作用來計算和預測多粒子系統特性的方法。

但物理學家通過“頂點修正”對理論進行了調整：對多體微擾理論進行修改，解釋了粒子之間復雜的相互作用，超出了最簡單的近似值。頂點校正通過考慮這些相互作用如何影響粒子的能級(例如它們對外部場或它們的自能的響應)來完善理論。簡而言之，頂點校正可以更準確地預測多粒子系統中的物理屬性。

模擬水的電子特性

液態水建模尤其具有挑戰性。水分子含有一個氧原子和兩個氫原子，它們的熱運動和原子核的量子性質都起著關鍵作用。考慮到這些方面，研究人員準確地確定了水的電子特性，例如電離勢、電子親和力和帶隙。這些發現對于理解水如何在電子水平上與光和其他物質相互作用至關重要。

“我們對水能量水平的研究將高級理論與實驗相結合，”阿爾弗雷多·帕斯夸雷洛說。Alexey Tal 進一步強調了新方法的重要性：“得益于對電子結構的先進描述，我們還能夠產生準確的吸收光譜。”

研究結果具有額外的意義。洛桑聯邦理工學院團隊應用的理論發展為新的普遍適用標準奠定了基礎，以實現材料的精確電子結構。這提供了一種高度預測的工具，有可能徹底改變我們對凝聚態科學中電子特性的基本理解，并應用于尋找具有特定電子功能的材料特性。