Метод називається теорією функціоналу густини або ДПФ. Він використовується у фізиці, хімії та матеріалознавстві для вивчення електронної структури багатьох систем, таких як атоми та молекули. DFT є потужним інструментом для виконання ab-initio розрахунків матеріалів шляхом спрощеного розгляду взаємодії електронів. Однак ДПФ сприйнятливий до помилкової взаємодії електрона з самим собою – те, що фізики називають «проблемою самовзаємодії», що призводить до неправильного опису поляронів, які часто дестабілізуються.
Фізики при EPFL розробили новий підхід для вирішення основного недоліку добре встановленої теорії, яку фізики використовують для вивчення взаємодії електронів у матеріалах. Вони представили теоретичне формулювання самовзаємодії електронів, яке вирішує проблему локалізації поляронів у теорії функціоналу густини.
Простими словами, формулювання могло б вирішити давню проблему самовзаємодії електронів під час вивчення полярони – квазічастинки, утворені електрон-фононними взаємодіями в матеріалах.
Той факт, що квантова механіка може представляти частинки та хвилі, є однією з її багатьох особливостей. The фотон, частинка, пов’язана зі світлом, є типовим прикладом.
Електрони можна сприймати як хвилі, які поширюються по всій системі у впорядкованих структурах, відомих як кристали, що малює дуже гармонійну картину. Іони періодично організовуються в просторі, коли електрони проходять через кристал. Якщо додати електрон до кристала, його негативний заряд може змусити іони навколо нього відійти від своїх положень рівноваги. Нова частинка, яка називається полярон, буде створена завдяки локалізації заряду електрона в просторі та з’єднанню з навколишніми структурними спотвореннями кристала, або «ґратками».
Стефано Фаллетта в Школі фундаментальних наук EPFL сказав"Технічно полярон — це квазічастинка, що складається з електрона, «одягненого» своїми самоіндукованими фононами, що представляють квантовані коливання кристала. Стабільність поляронів виникає внаслідок конкуренції між двома енергетичними вкладами: виграш через локалізацію заряду та вартість через спотворення решітки. Коли полярон дестабілізується, додатковий електрон делокалізується по всій системі, тоді як іони відновлюють свої положення рівноваги».
«Наш новий метод дає доступ до точних поляронних стабільностей у рамках обчислювально ефективної схеми. Наше дослідження прокладає шлях до безпрецедентних розрахунків поляронів у великих системах, у систематичних дослідженнях із залученням великих наборів матеріалів або в молекулярній динаміці, що розвивається протягом тривалого часу».
Довідка з журналу:
- Стефано Фаллетта, Альфредо Паскарелло. Багатотільна самовзаємодія та полярони. Фіз. Rev. Lett. 129, 126401, 14 вересня 2022 р. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.126401
- Стефано Фаллетта, Альфредо Паскарелло. Полярони, вільні від самовзаємодії багатьох тіл у теорії функціоналу густини. Фіз. Преподобний Б 106, 125119, 14 вересня 2022 р. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
