Стабилизация поляронов открывает новую физику

Прочитано: 90 раз(а)


Физики из EPFL разработали формулу для решения давней проблемы самовоздействия электронов при изучении поляронов — квазичастиц, образующихся в результате электрон-фононного взаимодействия в материалах. Работа может привести к беспрецедентным расчетам поляронов в больших системах, систематическим исследованиям больших наборов материалов и молекулярной динамике, развивающейся в течение длительных периодов времени.

Одной из многих особенностей квантовой механики является то, что частицы также могут быть описаны как волны. Типичным примером является фотон, частица, связанная со светом.

В упорядоченных структурах, известных как кристаллы , электроны можно увидеть и описать как волны, распространяющиеся по всей системе — довольно гармоничная картина. По мере движения электронов через кристалл в пространстве периодически располагаются ионы — атомы, несущие отрицательный или положительный заряд .

Теперь, если бы мы добавили к кристаллу дополнительный электрон, его отрицательный заряд мог бы заставить ионы вокруг него отойти от их равновесных положений. Заряд электрона локализовался бы в пространстве и соединился бы с окружающими структурными — «решетчатыми» — искажениями кристалла, порождая новую частицу , известную как полярон .

«Технически полярон — это квазичастица, состоящая из электрона, «одетого» его самоиндуцированными фононами, которые представляют собой квантованные колебания кристалла», — говорит Стефано Фаллетта из Школы фундаментальных наук EPFL. «Стабильность поляронов возникает в результате конкуренции между двумя вкладами энергии: выигрышем за счет локализации заряда и затратами за счет искажений решетки. При дестабилизации полярона лишний электрон делокализуется по всей системе, а ионы восстанавливают свои равновесные положения.»

Работая с профессором Альфредо Паскуарелло в EPFL, они опубликовали две статьи в Physical Review Letters и Physical Review B , описывающие новый подход к устранению основного недостатка хорошо зарекомендовавшей себя теории, которую физики используют для изучения взаимодействия электронов в материалах. Этот метод называется теорией функционала плотности или DFT и используется в физике, химии и материаловедении для изучения электронной структуры систем многих тел, таких как атомы и молекулы.

DFT — это мощный инструмент для проведения неэмпирических расчетов материалов путем упрощенного рассмотрения электронных взаимодействий. Однако DFT восприимчив к ложным взаимодействиям электрона с самим собой — что физики называют «проблемой самодействия». Это самовоздействие является одним из самых больших ограничений DFT, часто приводящим к неправильному описанию поляронов, которые часто дестабилизируются.

«В нашей работе мы вводим теоретическую формулировку самодействия электронов, которая решает проблему локализации поляронов в теории функционала плотности», — говорит Фаллетта. «Это дает доступ к точной стабильности поляронов в вычислительно эффективной схеме. Наше исследование прокладывает путь к беспрецедентным расчетам поляронов в больших системах, в систематических исследованиях с участием больших наборов материалов или в молекулярной динамике , развивающейся в течение длительных периодов времени».

Стабилизация поляронов открывает новую физику



Новости партнеров