Il metodo chiamato teoria del funzionale della densità o DFT. Viene utilizzato in fisica, chimica e scienza dei materiali per studiare la struttura elettronica di sistemi a molti corpi come atomi e molecole. DFT è un potente strumento per eseguire calcoli ab-initio dei materiali mediante il trattamento semplificato delle interazioni elettroniche. Tuttavia, la DFT è suscettibile alle interazioni spurie dell'elettrone con se stesso, ciò che i fisici chiamano "problema dell'interazione personale", portando alla descrizione errata dei polaroni, che sono spesso destabilizzati.
I fisici a EPFL hanno sviluppato un nuovo approccio per risolvere un grave difetto di una teoria consolidata che i fisici usano per studiare le interazioni degli elettroni nei materiali. Hanno introdotto una formulazione teorica per l'autointerazione elettronica che risolve il problema della localizzazione del polarone nella teoria del funzionale della densità.
In parole semplici, la formulazione potrebbe risolvere l'annoso problema dell'autointerazione degli elettroni durante lo studio polaroni – quasiparticelle prodotte dalle interazioni elettrone-fonone nei materiali.
Il fatto che la meccanica quantistica possa rappresentare particelle e onde è una delle sue tante peculiarità. Il fotone, una particella correlata alla luce, è un tipico esempio.
Gli elettroni possono essere percepiti come onde che si diffondono nell'intero sistema in strutture ordinate note come cristalli, che dipingono un'immagine molto armoniosa. Gli ioni sono periodicamente organizzati nello spazio mentre gli elettroni passano attraverso il cristallo. Se si aggiunge un elettrone al cristallo, la sua carica negativa potrebbe far allontanare gli ioni che lo circondano dalle loro posizioni di equilibrio. Una nuova particella chiamata polarone verrebbe creata a causa della carica elettronica che si localizza nello spazio e si accoppia alle distorsioni strutturali circostanti del cristallo, o "reticoli".
Stefano Falletta presso la Scuola di Scienze di Base dell'EPFL disse, "Tecnicamente, un polarone è una quasiparticella, costituita da un elettrone “vestito” dai suoi fononi autoindotti, che rappresentano le vibrazioni quantizzate del cristallo. La stabilità dei polaroni nasce da una competizione tra due contributi energetici: il guadagno dovuto alla localizzazione della carica e il costo dovuto alle distorsioni del reticolo. Quando il polarone si destabilizza, l'elettrone in più si delocalizza sull'intero sistema, mentre gli ioni ripristinano le loro posizioni di equilibrio".
“Il nostro nuovo metodo dà accesso a stabilità dei polaroni accurate all'interno di uno schema computazionalmente efficiente. Il nostro studio apre la strada a calcoli senza precedenti dei polaroni in grandi sistemi, in studi sistematici che coinvolgono grandi insiemi di materiali o in dinamiche molecolari che si evolvono su lunghi periodi.
Riferimento della Gazzetta:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Interazione con molti corpi e polaroni. Fis. Rev. Lett. 129, 126401, 14 settembre 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polaroni liberi dall'autointerazione con molti corpi nella teoria del funzionale della densità. Fis. Rev. B 106, 125119, 14 settembre 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
