Stabilność Polarona odblokowuje nową fizykę

Jedną z wielu właściwości mechaniki kwantowej jest to, że cząstki można również opisać jako fale. Typowym przykładem jest foton, cząstka związana ze światłem.

W uporządkowanych strukturach, zwanych kryształami, elektrony można zobaczyć i opisać jako fale rozchodzące się po całym układzie – dość harmonijny obraz. Gdy elektrony przemieszczają się przez kryształ, jony – atomy niosące ładunek ujemny lub dodatni – są okresowo rozmieszczane w przestrzeni.

Teraz, jeśli dodamy dodatkowy elektron do kryształu, jego ujemny ładunek może sprawić, że jony wokół niego odejdą od ich pozycji równowagi. Ładunek elektronu zostanie zlokalizowany w przestrzeni i połączony z otaczającymi zniekształceniami strukturalnymi – „siecią” – w krysztale, dając początek nowej cząstce zwanej polaronem.

„Technicznie polaron jest quasicząstką, złożoną z elektronu 'noszonego’ przez samoindukujące się fonony, które reprezentują wibracje kwantowe kryształu”, mówi Stefano Valletta ze Szkoły Nauk Podstawowych EPFL. Kontynuuje: „Stabilność polaronów wynika z konkurencji między dwoma wkładami energii: zyskiem wynikającym z lokalizacji ładunku i kosztem spowodowanym zniekształceniami sieci. Kiedy polaron ulega destabilizacji, dodatkowy elektron jest przekazywany do całego układu, podczas gdy jony odzyskują swoje pozycje równowagi.”

Współpracując z profesorem Alfredo Pasquarello z EPFL, opublikowali dwa artykuły naukowe w: fizyczne wiadomości przeglądowe A przegląd fizyczny b Opisuje nowe podejście do rozwiązania poważnego błędu w ugruntowanej teorii, którą fizycy wykorzystują do badania interakcji elektronów w materiałach. Metoda ta nazywana jest teorią funkcjonału gęstości lub DFT i jest stosowana w fizyce, chemii i materiałoznawstwie do badania struktury elektronowej wielu układów ciała, takich jak atomy i cząsteczki.

DFT to potężne narzędzie do wykonywania obliczeń ab-initio materiałów, dzięki uproszczeniu manipulacji interakcjami elektronów. Jednak DFT jest podatna na fałszywe interakcje elektronu ze sobą – co fizycy nazywają „problemem samooddziaływania”. Ta samodzielna interakcja jest jednym z największych ograniczeń DFT i często prowadzi do nieprawidłowego opisu kropel, które często są niestabilne.

„W naszej pracy przedstawiamy teoretyczny wzór na oddziaływanie samoelektronów, który rozwiązuje problem lokalizacji polaronów w teorii funkcjonału gęstości” – mówi Valletta. „Pozwala to na uzyskanie precyzyjnych niezmienników polaronów w ramach wydajnego obliczeniowo schematu. Nasze badanie toruje drogę do bezprecedensowych obliczeń polaronów w dużych układach, w systematycznych badaniach obejmujących duże grupy materiałów lub w dynamice molekularnej, która ewoluuje przez długi czas. „