วิธีการที่เรียกว่าทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นหรือ DFT ใช้ในฟิสิกส์ เคมี และวัสดุศาสตร์เพื่อศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของระบบหลายส่วนของร่างกาย เช่น อะตอมและโมเลกุล DFT เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการคำนวณวัสดุ ab-initio โดยการรักษาปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนที่ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม DFT มีความอ่อนไหวต่อปฏิกิริยาปลอมๆ ของอิเล็กตรอนกับตัวมันเอง ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่า "ปัญหาปฏิสัมพันธ์ในตัวเอง" ซึ่งนำไปสู่คำอธิบายที่ไม่ถูกต้องของโพลารอน ซึ่งมักจะไม่เสถียร
นักฟิสิกส์ ที่ EPFL ได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการแก้ปัญหาข้อบกพร่องที่สำคัญของทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับซึ่งนักฟิสิกส์ใช้ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนในวัสดุ พวกเขาได้แนะนำสูตรเชิงทฤษฎีสำหรับการโต้ตอบกับตนเองของอิเล็กตรอนที่แก้ปัญหาการโลคัลไลเซชันโพลารอนในทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น
พูดง่ายๆ ก็คือ สูตรนี้สามารถแก้ปัญหาอันยาวนานของการมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนในตัวเองเมื่อศึกษา โพลารอน – quasiparticles ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟนอนในวัสดุ
ความจริงที่ว่ากลศาสตร์ควอนตัมสามารถแสดงอนุภาคและคลื่นได้เป็นหนึ่งในคุณสมบัติพิเศษมากมาย ดิ ฟอตอนตัวอย่างทั่วไปคืออนุภาคที่เกี่ยวข้องกับแสง
อิเล็กตรอนสามารถรับรู้ได้ว่าเป็นคลื่นที่แผ่กระจายไปทั่วระบบในโครงสร้างที่เป็นระเบียบที่เรียกว่าคริสตัล ซึ่งวาดภาพที่กลมกลืนกันมาก ไอออนจะถูกจัดเรียงเป็นระยะในอวกาศเมื่ออิเล็กตรอนผ่านคริสตัล หากเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปในคริสตัล ประจุลบจะทำให้ไอออนรอบๆ เคลื่อนตัวออกจากตำแหน่งสมดุล อนุภาคใหม่ที่เรียกว่าโพลารอนจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากประจุของอิเล็กตรอนที่ปรับตำแหน่งในอวกาศและควบคู่ไปกับการบิดเบือนโครงสร้างของคริสตัลโดยรอบ หรือ "โครงตาข่าย"
Stefano Falletta ที่ School of Basic Sciences ของ EPFL กล่าวว่า"ในทางเทคนิคแล้ว โพลารอนเป็นอนุภาคควอซิพิเคิล ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ "แต่ง" ด้วยโฟนอนที่เหนี่ยวนำด้วยตัวเอง ซึ่งแสดงถึงการสั่นสะเทือนเชิงปริมาณของคริสตัล ความเสถียรของโพลารอนเกิดขึ้นจากการแข่งขันระหว่างการสนับสนุนด้านพลังงานสองอย่าง: กำไรจากการปรับประจุให้เข้ากับท้องถิ่นและต้นทุนเนื่องจากการบิดเบือนของโครงข่าย เมื่อโพลารอนไม่เสถียร อิเล็กตรอนส่วนเกินจะหลุดออกไปทั่วทั้งระบบ ในขณะที่ไอออนจะคืนตำแหน่งสมดุลของพวกมัน”
“วิธีการใหม่ของเราช่วยให้เข้าถึงความเสถียรของโพลารอนได้อย่างแม่นยำภายในรูปแบบที่มีประสิทธิภาพในการคำนวณ การศึกษาของเราปูทางไปสู่การคำนวณโพลารอนที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในระบบขนาดใหญ่ ในการศึกษาอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับชุดวัสดุขนาดใหญ่ หรือในการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลที่วิวัฒนาการมาเป็นระยะเวลานาน”
การอ้างอิงวารสาร:
- สเตฟาโน ฟาลเล็ตตา, อัลเฟรโด ปาสแควร์เวลโล. การมีปฏิสัมพันธ์กับตนเองและโพลารอนหลายตัว สรีรวิทยา รายได้ Lett. 129, 126401, 14 กันยายน 2022 ดอย: 10.1103/PhysRevLett.129.126401
- สเตฟาโน ฟาลเล็ตตา, อัลเฟรโด ปาสแควร์เวลโล. โพลารอนปราศจากปฏิกิริยาโต้ตอบกับร่างกายหลายตัวในทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น ร่างกาย. รายได้ B 106, 125119, 14 กันยายน 2022 ดอย: 10.1103/PhysRevB.106.125119
