השיטה הנקראת תיאוריית תפקוד צפיפות או DFT. הוא משמש בפיזיקה, כימיה ומדעי החומרים כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של מערכות רבות של גוף כמו אטומים ומולקולות. DFT הוא כלי רב עוצמה לביצוע חישובים אב-initio של חומרים על ידי טיפול פשוט של אינטראקציות האלקטרונים. עם זאת, DFT רגיש לאינטראקציות מזויפות של האלקטרון עם העצמי שלו - מה שפיזיקאים מתייחסים אליו כ"בעיית האינטראקציה העצמית", מה שמוביל לתיאור שגוי של פולארונים, שלעתים קרובות אינם יציבים.
פיזיקאים ב EPFL פיתחו גישה חדשה לפתרון חיסרון מרכזי של תיאוריה מבוססת שבה משתמשים פיזיקאים כדי לחקור את האינטראקציות של אלקטרונים בחומרים. הם הציגו ניסוח תיאורטי לאינטראקציה עצמית של אלקטרונים הפותר את בעיית לוקליזציה של פולארון בתורת פונקציונליות הצפיפות.
במילים פשוטות, הניסוח יכול לפתור את הבעיה ארוכת השנים של אינטראקציה עצמית של אלקטרונים בעת לימוד פולארונים - קוואזי-חלקיקים המיוצרים על ידי אינטראקציות אלקטרונים-פונון בחומרים.
העובדה שמכניקת הקוונטים יכולה לייצג חלקיקים וגלים היא אחת מהמוזרויות הרבות שלה. ה פוטון, חלקיק הקשור לאור, הוא דוגמה טיפוסית.
אלקטרונים יכולים להיתפס כגלים המתפשטים על פני כל המערכת במבנים מסודרים המכונים גבישים, מה שמצייר תמונה הרמונית מאוד. יונים מאורגנים מעת לעת בחלל כאשר אלקטרונים עוברים דרך הגביש. אם מוסיפים אלקטרון לגביש, המטען השלילי שלו עלול לגרום ליונים שסביבו להתרחק מעמדות שיווי המשקל שלהם. חלקיק חדש הנקרא פולרון יווצר עקב מטען האלקטרונים המתמקם בחלל ומתחבר לעיוותים המבניים של הגביש שמסביב, או "סריגים".
סטפנו פאלטה בבית הספר למדעים בסיסיים של EPFL אמר"מבחינה טכנית, פולרון הוא קוואזי-חלקיק, המורכב מאלקטרון "לבוש" על ידי הפונונים המושרים מעצמם, המייצגים את התנודות הקוונטיות של הגביש. היציבות של פולארונים נובעת מתחרות בין שתי תרומות אנרגיה: הרווח עקב לוקליזציה של המטען והעלות עקב עיוותים של הסריג. כאשר הפולרון מתערער, האלקטרון הנוסף מתנתק על פני כל המערכת, בעוד היונים משחזרים את עמדות שיווי המשקל שלהם".
"השיטה החדשה שלנו נותנת גישה ליציבות פולארון מדויקות בתוך תכנית יעילה מבחינה חישובית. המחקר שלנו סולל את הדרך לחישובים חסרי תקדים של פולארונים במערכות גדולות, במחקרים שיטתיים הכוללים קבוצות גדולות של חומרים, או בדינמיקה מולקולרית המתפתחת על פני תקופות ארוכות".
עיון ביומן:
- סטפנו פאלטה, אלפרדו פסקווארלו. אינטראקציה עצמית של הרבה גוף ופולארונים. פיז. הכומר לט. 129, 126401, 14 בספטמבר 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.126401
- סטפנו פאלטה, אלפרדו פסקווארלו. פולארונים חופשיים מאינטראקציה עצמית של גופים רבים בתיאוריית תפקודי הצפיפות. פיז. הכמרית ב 106, 125119, 14 בספטמבר 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
