La méthode appelée théorie fonctionnelle de la densité ou DFT. Il est utilisé en physique, en chimie et en science des matériaux pour étudier la structure électronique des systèmes à N corps comme les atomes et les molécules. DFT est un outil puissant permettant d'effectuer des calculs ab-initio de matériaux par un traitement simplifié des interactions électroniques. Cependant, la DFT est sensible aux interactions parasites de l’électron avec lui-même – ce que les physiciens appellent le « problème d’auto-interaction », conduisant à une description incorrecte des polarons, qui sont souvent déstabilisés.
Physiciens à EPFL ont développé une nouvelle approche pour résoudre une lacune majeure d'une théorie bien établie que les physiciens utilisent pour étudier les interactions des électrons dans les matériaux. Ils ont introduit une formulation théorique pour l'auto-interaction électronique qui résout le problème de la localisation des polarons dans la théorie fonctionnelle de la densité.
En termes simples, la formulation pourrait résoudre le problème de longue date de l’auto-interaction électronique lors de l’étude polarons – des quasiparticules produites par des interactions électron-phonon dans les matériaux.
Le fait que la mécanique quantique puisse représenter des particules et des ondes est l’une de ses nombreuses particularités. Le photon, une particule liée à la lumière, en est un exemple typique.
Les électrons peuvent être perçus comme des ondes qui se propagent à travers l’ensemble du système dans des structures ordonnées appelées cristaux, ce qui donne un tableau très harmonieux. Les ions s'organisent périodiquement dans l'espace à mesure que les électrons traversent le cristal. Si vous ajoutez un électron au cristal, sa charge négative pourrait éloigner les ions qui l’entourent de leurs positions d’équilibre. Une nouvelle particule appelée polaron serait créée en raison de la charge électronique localisée dans l’espace et couplée aux distorsions structurelles environnantes du cristal, ou « réseaux ».
Stefano Falletta à la Faculté des sciences fondamentales de l’EPFL a affirmé Valérie Plante.»Techniquement, un polaron est une quasiparticule, constituée d'un électron « habillé » par ses phonons auto-induits, représentant les vibrations quantifiées du cristal. La stabilité des polarons résulte d'une compétition entre deux apports énergétiques : le gain dû à la localisation des charges et le coût dû aux distorsions du réseau. Lorsque le polaron se déstabilise, l’électron supplémentaire se délocalise dans l’ensemble du système, tandis que les ions rétablissent leurs positions d’équilibre.
« Notre nouvelle méthode donne accès à des stabilités précises des polarons au sein d’un schéma informatiquement efficace. Notre étude ouvre la voie à des calculs sans précédent de polarons dans de grands systèmes, à des études systématiques impliquant de grands ensembles de matériaux ou à des dynamiques moléculaires évoluant sur de longues périodes.
Journal de référence:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Auto-interaction à plusieurs corps et polarons. Phys. Rév. Lett. 129, 126401, 14 septembre 2022. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polarons exempts d'auto-interaction à N corps dans la théorie fonctionnelle de la densité. Phys. Rév. B 106, 125119, 14 septembre 2022. DOI : 10.1103/PhysRevB.106.125119
