毫无疑问，水的重要性。没有它，生命永远不会开始，更不用说延续到今天——更不用说它在环境本身中的作用了，因为海洋覆盖了地球70%以上的面积。

尽管液态水无处不在，但它具有一些复杂的电子特性，长期以来一直困扰着化学、物理学和技术领域的科学家。例如，从实验的角度来看，电子亲和力，即自由电子被水捕获时所经历的能量稳定，仍然很难表征。

即使当今最精确的电子结构理论也无法阐明这一情况，这意味着重要的物理量(例如外部源的电子注入液态水中的能量)仍然难以捉摸。这些特性对于理解水中电子的行为至关重要，并且可能在生物系统、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，洛桑联邦理工学院的研究人员阿列克谢·塔尔(AlexeyTal)、托马斯·比肖夫(ThomasBischoff)和阿尔弗雷多·帕斯夸雷洛(AlfredoPasquarello)在破解这个谜题方面取得了重大进展。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上，使用超越当今最先进方法的计算方法来解决水的电子结构。

研究人员使用基于“多体微扰理论”的方法研究了水。这是一个复杂的数学框架，用于研究系统内多个粒子(例如固体或分子中的电子)的相互作用，探索这些粒子如何影响彼此的行为，不是孤立的，而是作为更大相互作用群体的一部分。

相对简单地说，多体微扰理论是一种通过考虑多粒子系统组件之间的所有复杂相互作用来计算和预测多粒子系统特性的方法。

但物理学家通过“顶点修正”对理论进行了调整：对多体微扰理论进行修改，解释了粒子之间复杂的相互作用，超出了最简单的近似值。

顶点校正通过考虑这些相互作用如何影响粒子的能级(例如它们对外部场或它们的自能的响应)来完善理论。简而言之，顶点校正可以更准确地预测多粒子系统中的物理属性。

模拟水的电子特性

模拟液态水尤其具有挑战性。水分子含有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，例如电离势、电子亲和力和带隙。这些发现对于理解水如何在电子水平上与光和其他物质相互作用至关重要。

“我们对水能量水平的研究将高级理论与实验相结合，”阿尔弗雷多·帕斯夸雷洛说。AlexeyTal进一步强调了新方法的重要性：“得益于对电子结构的先进描述，我们还能够产生准确的吸收光谱。”

研究结果具有额外的意义。洛桑联邦理工学院团队应用的理论发展为新的、普遍适用的标准奠定了基础，以实现材料的精确电子结构。这提供了一种高度预测的工具，有可能彻底改变我们对凝聚态科学中电子特性的基本理解，并应用于寻找具有特定电子功能的材料特性。