Metoden kaldet density functional theory eller DFT. Det bruges i fysik, kemi og materialevidenskab til at studere den elektroniske struktur af mange-kropssystemer som atomer og molekyler. DFT er et kraftfuldt værktøj til at udføre ab-initio beregninger af materialer ved forenklet behandling af elektroninteraktionerne. DFT er imidlertid modtagelig for falske interaktioner mellem elektronen og dens selv - hvad fysikere omtaler som "selvinteraktionsproblemet", hvilket fører til den forkerte beskrivelse af polaroner, som ofte er destabiliserede.
Fysikere kl EPFL har udviklet en ny tilgang til at løse en stor mangel ved en veletableret teori, som fysikere bruger til at studere interaktioner mellem elektroner i materialer. De har introduceret en teoretisk formulering for elektronselvinteraktion, der løser problemet med polaronlokalisering i tæthedsfunktionel teori.
Med enkle ord kunne formuleringen løse det langvarige problem med elektron-selvinteraktion, når man studerer polaroner – kvasipartikler produceret af elektron-fonon-interaktioner i materialer.
Det faktum, at kvantemekanik kan repræsentere partikler og bølger, er en af dens mange ejendommeligheder. Det foton, en lysrelateret partikel, er et typisk eksempel.
Elektroner kan opfattes som bølger, der spreder sig over hele systemet i ordnede strukturer kendt som krystaller, hvilket tegner et meget harmonisk billede. Ioner organiseres periodisk i rummet, når elektroner passerer gennem krystallen. Hvis man tilføjer en elektron til krystallen, kan dens negative ladning få ionerne omkring den til at bevæge sig væk fra deres ligevægtspositioner. En ny partikel kaldet en polaron ville blive skabt på grund af elektronladningen, der lokaliseres i rummet og kobles til krystallens omgivende strukturelle forvrængninger eller "gitter".
Stefano Falletta ved EPFL's School of Basic Sciences sagde"Teknisk set er en polaron en kvasipartikel, der består af en elektron "klædt" af dens selv-inducerede fononer, der repræsenterer krystallens kvantiserede vibrationer. Stabiliteten af polaroner opstår fra en konkurrence mellem to energibidrag: gevinsten på grund af ladningslokalisering og omkostningerne på grund af gitterforvrængninger. Når polaronen destabiliserer, delokaliseres den ekstra elektron over hele systemet, mens ionerne genopretter deres ligevægtspositioner."
"Vores nye metode giver adgang til nøjagtige polaron-stabiliteter inden for et beregningseffektivt system. Vores undersøgelse baner vejen for hidtil usete beregninger af polaroner i store systemer, i systematiske undersøgelser, der involverer store sæt af materialer, eller i molekylær dynamik, der udvikler sig over lange perioder."
Journal Reference:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Selvinteraktion med mange kroppe og polaroner. Fys. Lett. 129, 126401, 14. september 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polaroner fri for mange-krops selvinteraktion i tæthedsfunktionel teori. Phys. Rev. B 106, 125119, 14. september 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
