Cristalografía cuántica

La cristalografía cuántica es una rama de la cristalografía que investiga los materiales cristalinos dentro del marco de la mecánica cuántica , con el análisis y la representación, en el espacio de posición o de momento , de cantidades como la función de onda , la carga electrónica y la densidad de espín , las matrices de densidad y todas las propiedades relacionadas con ellas (como el potencial eléctrico , los momentos eléctricos o magnéticos, las densidades de energía, la función de localización electrónica , el potencial de un electrón, etc.). Al igual que la química cuántica , la cristalografía cuántica implica trabajo tanto experimental como computacional. La parte teórica de la cristalografía cuántica se basa en cálculos de mecánica cuántica de funciones de onda atómicas/moleculares/cristalinas, matrices de densidad o modelos de densidad, utilizados para simular la estructura electrónica de un material cristalino. Mientras que en la química cuántica los trabajos experimentales se basan principalmente en la espectroscopia, en la cristalografía cuántica las técnicas de dispersión ( rayos X , neutrones , rayos γ , electrones ) desempeñan un papel central, aunque la espectroscopia y la microscopía atómica también son fuentes de información.

La conexión entre la cristalografía y la química cuántica siempre ha sido muy estrecha, ^{[ 1 ]} desde que las técnicas de difracción de rayos X estuvieron disponibles en cristalografía. De hecho, la dispersión de la radiación permite mapear la distribución de un electrón ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} o los elementos de una matriz de densidad. ^{[ 5 ]} El tipo de radiación y dispersión determina la magnitud que se representa (carga o espín del electrón) y el espacio en el que se representa (espacio de posición o de momento). Aunque normalmente se supone que la función de onda no es directamente medible, los avances recientes permiten también calcular funciones de onda restringidas a alguna observable medible experimentalmente (como la dispersión de una radiación). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El término Cristalografía Cuántica fue introducido por primera vez en artículos de revisión por L. Huang, L. Massa y el premio Nobel Jerome Karle , ^{[ 8 ] [ 9 ]} quienes lo asociaron con dos corrientes principales: a) información cristalográfica que mejora los cálculos de mecánica cuántica y b) enfoques de mecánica cuántica para mejorar la información cristalográfica. Esta definición se refiere principalmente a estudios iniciados en las décadas de 1960 y 1970, cuando aparecieron los primeros intentos de obtener funciones de onda a partir de experimentos de dispersión, ^{[ 10 ]} junto con otros métodos para restringir una función de onda a observaciones experimentales como el momento dipolar. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Este campo ha sido revisado recientemente, dentro del contexto de esta definición. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Paralelamente a los estudios sobre la determinación de la función de onda, RF Stewart ^{[ 18 ]} y P. Coppens ^{[ 19 ] [ 20 ]} investigaron las posibilidades de calcular modelos para la densidad de carga de un electrón a partir de la dispersión de rayos X (por ejemplo, mediante la expansión multipolar de pseudoátomos ), y posteriormente de la densidad de espín a partir de la difracción de neutrones polarizados , ^{[ 21 ]} que originó la comunidad científica de la densidad de carga, espín y momento. ^{[ 22 ]} En un artículo de revisión reciente , V. Tsirelson ^{[ 23 ]} dio una definición más general: "La cristalografía cuántica es un área de investigación que explota el hecho de que los parámetros del modelo electrónico de un cristal, mecánicamente válido, pueden derivarse del conjunto medido con precisión de factores de estructura de difracción coherente de rayos X".

El libro Análisis moderno de la densidad de carga ofrece un panorama general de la investigación relacionada con la cristalografía cuántica y de las metodologías experimentales o teóricas más utilizadas. ^{[ 24 ]}

La Unión Internacional de Cristalografía ha establecido recientemente una comisión sobre Cristalografía Cuántica, como extensión de la anterior comisión sobre Densidad de Carga, Espín y Momento, con el propósito de coordinar las actividades de investigación en este campo. ^{[ 25 ]}

La Escuela de Cristalografía de Erice (52.º curso): primer curso sobre cristalografía cuántica (junio de 2018) La XIX Conferencia Sagamore (julio de 2018) La reunión del CECAM sobre cristalografía cuántica (junio de 2017) La comisión de la IUCr sobre cristalografía cuántica La Unión Internacional de Cristalografía