Menetelmää kutsutaan tiheysfunktionaaliteoriaksi tai DFT:ksi. Sitä käytetään fysiikassa, kemiassa ja materiaalitieteessä monien kehon järjestelmien, kuten atomien ja molekyylien, elektronisen rakenteen tutkimiseen. DFT on tehokas työkalu materiaalien ab-initio-laskelmien suorittamiseen yksinkertaistetulla elektronivuorovaikutusten käsittelyllä. DFT on kuitenkin alttiina elektronin väärille vuorovaikutuksille itsensä kanssa - mitä fyysikot kutsuvat "itsevuorovaikutusongelmaksi", mikä johtaa virheelliseen kuvaukseen polaroneista, jotka ovat usein epävakaita.
Fyysikot klo EPFL ovat kehittäneet uuden lähestymistavan ratkaistakseen vakiintuneen teorian suuren puutteen, jota fyysikot käyttävät tutkiessaan materiaaleissa olevien elektronien vuorovaikutuksia. He ovat ottaneet käyttöön teoreettisen formulaation elektronien itsevuorovaikutukselle, joka ratkaisee polaronien lokalisoinnin ongelman tiheysfunktionaaliteoriassa.
Yksinkertaisesti sanottuna muotoilu voisi ratkaista pitkään jatkuneen elektronien itsevuorovaikutuksen ongelman opiskelussa polaronit – kvasihiukkaset, jotka muodostuvat materiaalien elektroni-fononivuorovaikutuksista.
Se, että kvanttimekaniikka voi esittää hiukkasia ja aaltoja, on yksi sen monista erityispiirteistä. The fotoni, valoon liittyvä hiukkanen, on tyypillinen esimerkki.
Elektronit voidaan nähdä aaltoina, jotka leviävät läpi koko järjestelmän säännöllisissä rakenteissa, jotka tunnetaan kiteinä, mikä maalaa erittäin harmonisen kuvan. Ionit järjestäytyvät ajoittain avaruudessa elektronien kulkiessa kiteen läpi. Jos kiteen lisätään elektroni, sen negatiivinen varaus voi saada sitä ympäröivät ionit siirtymään pois tasapainoasennostaan. Uusi hiukkanen, nimeltään polaron, syntyisi, koska elektronivaraus lokalisoituu avaruuteen ja kytkeytyy kiteen ympäröiviin rakenteellisiin vääristymiin eli "hiloihin".
Stefano Falletta EPFL:n perustieteiden korkeakoulussa sanoi, "Teknisesti polaroni on kvasihiukkanen, joka koostuu elektronista, joka on "pukeutunut" sen itsensä aiheuttamiin fononiin, jotka edustavat kiteen kvantisoituja värähtelyjä. Polaronien stabiilius syntyy kilpailusta kahden energiaosuuden välillä: varauksen lokalisoinnista johtuvan voiton ja hilan vääristymien aiheuttaman hinnan. Kun polaroni epävakaa, ylimääräinen elektroni siirtyy koko järjestelmän yli, kun taas ionit palauttavat tasapainoasemansa."
"Uusi menetelmämme mahdollistaa tarkan polaronin stabiiliuden laskennallisesti tehokkaassa järjestelmässä. Tutkimuksemme tasoittaa tietä ennennäkemättömille polaronilaskelmille suurissa järjestelmissä, systemaattisissa tutkimuksissa, joihin liittyy suuria materiaalijoukkoja, tai molekyylidynamiikkaan, joka kehittyy pitkien ajanjaksojen aikana.
Lehden viite:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Monen kehon itsevuorovaikutus ja polaronit. Phys. Tohtori Lett. 129, 126401, 14. syyskuuta 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polaronit, jotka ovat vapaita monen kappaleen itsevuorovaikutuksesta tiheysfunktionaalisessa teoriassa. Phys. Ilm. B 106, 125119, 14. syyskuuta 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
