Metoden som kalles tetthetsfunksjonsteori eller DFT. Det brukes i fysikk, kjemi og materialvitenskap for å studere den elektroniske strukturen til mangekroppssystemer som atomer og molekyler. DFT er et kraftig verktøy for å utføre ab-initio beregninger av materialer ved forenklet behandling av elektroninteraksjonene. Imidlertid er DFT mottakelig for falske interaksjoner mellom elektronet og dets selv - det fysikere omtaler som "selvinteraksjonsproblemet", som fører til feil beskrivelse av polaroner, som ofte er destabiliserte.
Fysikere kl EPFL har utviklet en ny tilnærming for å løse en stor mangel ved en veletablert teori som fysikere bruker for å studere interaksjoner mellom elektroner i materialer. De har introdusert en teoretisk formulering for elektronselvinteraksjon som løser problemet med polaronlokalisering i tetthetsfunksjonsteori.
Med enkle ord kan formuleringen løse det langvarige problemet med elektronselvinteraksjon når man studerer polaroner – kvasipartikler produsert av elektron-fonon-interaksjoner i materialer.
Det faktum at kvantemekanikk kan representere partikler og bølger er en av dens mange særegenheter. De foton, en lysrelatert partikkel, er et typisk eksempel.
Elektroner kan oppfattes som bølger som sprer seg over hele systemet i ordnede strukturer kjent som krystaller, som maler et veldig harmonisk bilde. Ioner blir periodisk organisert i rommet når elektroner passerer gjennom krystallen. Hvis du legger til et elektron til krystallen, kan dens negative ladning få ionene rundt den til å bevege seg bort fra likevektsposisjonene. En ny partikkel kalt en polaron vil bli skapt på grunn av elektronladningen som lokaliserer seg i rommet og kobler seg til krystallens omgivende strukturelle forvrengninger, eller "gitter".
Stefano Falletta ved EPFLs School of Basic Sciences sa"Teknisk sett er en polaron en kvasipartikkel, som består av et elektron "kledd" av sine selvinduserte fononer, som representerer de kvantiserte vibrasjonene til krystallen. Stabiliteten til polaroner oppstår fra en konkurranse mellom to energibidrag: gevinsten på grunn av ladningslokalisering og kostnaden på grunn av gitterforvrengninger. Når polaronet destabiliseres, delokaliseres det ekstra elektronet over hele systemet, mens ionene gjenoppretter likevektsposisjonene.»
"Vår nye metode gir tilgang til nøyaktige polaron-stabiliteter innenfor et beregningseffektivt system. Vår studie baner vei for enestående beregninger av polaroner i store systemer, i systematiske studier som involverer store sett med materialer, eller i molekylær dynamikk som utvikler seg over lange perioder.
Tidsreferanse:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Selvinteraksjon med mange kropper og polaroner. Phys. Prest Lett. 129, 126401, 14. september 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polaroner fri for selvinteraksjon med mange kropper i tetthetsfunksjonsteori. Phys. Pastor B 106, 125119, 14. september 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
