Metoda zwana teorią funkcjonału gęstości lub DFT. Jest używany w fizyce, chemii i materiałoznawstwie do badania struktury elektronowej układów wielociałowych, takich jak atomy i molekuły. DFT jest potężnym narzędziem do wykonywania obliczeń ab-initio materiałów poprzez uproszczoną obróbkę oddziaływań elektronowych. DFT jest jednak podatna na pozorne interakcje elektronu z samym sobą – co fizycy nazywają „problemem wzajemnego oddziaływania”, co prowadzi do błędnego opisu polaronów, które często ulegają destabilizacji.
Fizycy w EPFL opracowali nowe podejście do rozwiązania poważnego niedociągnięcia ugruntowanej teorii, którą fizycy wykorzystują do badania interakcji elektronów w materiałach. Wprowadzili teoretyczne sformułowanie samooddziaływania elektronów, które rozwiązuje problem lokalizacji polaronów w teorii funkcjonału gęstości.
W prostych słowach, sformułowanie to może rozwiązać długotrwały problem samooddziaływania elektronów podczas nauki polarony – quasicząstki powstałe w wyniku oddziaływań elektron-fonon w materiałach.
Fakt, że mechanika kwantowa może reprezentować cząstki i fale, jest jedną z wielu jej osobliwości. The foton, cząstka związana ze światłem jest typowym przykładem.
Elektrony mogą być postrzegane jako fale, które rozchodzą się po całym układzie w uporządkowane struktury zwane kryształami, co daje bardzo harmonijny obraz. Jony są okresowo organizowane w przestrzeni, gdy elektrony przechodzą przez kryształ. Jeśli dodamy elektron do kryształu, jego ujemny ładunek może sprawić, że otaczające go jony przesuną się z ich pozycji równowagi. Nowa cząstka zwana polaronem zostałaby utworzona z powodu lokalizacji ładunku elektronu w przestrzeni i sprzężenia z otaczającymi kryształ zniekształceniami strukturalnymi lub „sieciami”.
Stefano Falletta w Szkole Nauk Podstawowych EPFL powiedziany"Technicznie rzecz biorąc, polaron jest quasicząstką, złożoną z elektronu „ubranego” przez samoindukujące się fonony, reprezentujące skwantowane drgania kryształu. Stabilność polaronów wynika z konkurencji między dwoma wkładami energetycznymi: zyskiem wynikającym z lokalizacji ładunku i kosztem spowodowanym zniekształceniami sieci. Kiedy polaron destabilizuje się, dodatkowy elektron ulega delokalizacji w całym układzie, podczas gdy jony przywracają swoje pozycje równowagi.”
„Nasza nowa metoda daje dostęp do dokładnych stabilności polaronów w ramach wydajnego obliczeniowo schematu. Nasze badanie toruje drogę do bezprecedensowych obliczeń polaronów w dużych układach, w systematycznych badaniach obejmujących duże zestawy materiałów lub w dynamice molekularnej ewoluującej przez długie okresy”.
Referencje czasopisma:
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Interakcja wielu ciał i Polarony. Fiz. Rev. Lett. 129, 126401, 14 września 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.126401
- Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polarony wolne od wielociałowych oddziaływań własnych w teorii funkcjonału gęstości. Fiz. Wersja B. 106, 125119, 14 września 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
