I fisici dell’EPFL hanno sviluppato una formulazione che risolve l’annoso problema dell’autointerazione degli elettroni nello studio dei polaroni, quasiparticelle create dalle interazioni elettrone-fonone nei materiali. Il loro lavoro può portare a calcoli senza precedenti di polaroni in sistemi di grandi dimensioni, studi sistematici di grandi insiemi di materiali e dinamiche molecolari che si evolvono su lunghi periodi di tempo.
Una delle tante caratteristiche della meccanica quantistica è che le particelle possono essere descritte anche come onde. Un esempio comune è il fotone, la particella associata alla luce.
Nelle strutture ordinate chiamate cristalli, gli elettroni possono essere visti e descritti come onde che si propagano in tutto il sistema, un’immagine piuttosto armoniosa. Mentre gli elettroni si muovono nel cristallo, gli ioni - atomi con carica negativa o positiva - si dispongono periodicamente nello spazio.
Ora, se un elettrone venisse aggiunto al cristallo, la sua carica negativa potrebbe allontanare gli ioni circostanti dalla loro posizione di equilibrio. La carica dell’elettrone si localizzerebbe nello spazio e si accoppierebbe alle distorsioni strutturali circostanti (il "reticolo") del cristallo, dando origine a una nuova particella chiamata polarone.
"Tecnicamente, un polarone è una quasi-particella composta da un elettrone ’vestito’ dai suoi fononi autoindotti, che rappresentano le vibrazioni quantizzate del cristallo", spiega Stefano Falletta della Facoltà di Scienze di Base dell’EPFL. Continua: "La stabilità dei polaroni deriva dalla competizione tra due contributi energetici: il guadagno dovuto alla localizzazione della carica e il costo dovuto alle distorsioni reticolari. Quando il polarone si destabilizza, l’elettrone in più si delocalizza sull’intero sistema, mentre gli ioni tornano alla loro posizione di equilibrio".
Insieme al professor Alfredo Pasquarello dell’EPFL, hanno pubblicato due articoli su Physical Review Letters e Physical Review B che descrivono un nuovo approccio per risolvere un difetto importante in una teoria consolidata che i fisici usano per studiare le interazioni degli elettroni nei materiali. Il metodo è chiamato teoria funzionale della densità o DFT. Viene utilizzato in fisica, chimica e scienza dei materiali per studiare la struttura elettronica di sistemi a molti corpi come atomi e molecole.
La DFT è un potente strumento per eseguire calcoli ab-initio dei materiali, semplificando il trattamento delle interazioni elettroniche. Tuttavia, la DFT è sensibile alle interazioni parassite dell’elettrone con se stesso, ciò che i fisici chiamano "problema dell’autointerazione". Questa autointerazione è una delle limitazioni più importanti della DFT, che spesso porta a una descrizione errata dei polaroni, spesso destabilizzati.
"Nel nostro lavoro affrontiamo una formulazione teorica dell’autointerazione degli elettroni che risolve il problema della localizzazione dei polaroni nella teoria funzionale della densità", spiega Stefano Falletta. "Questo ci permette di ottenere stabilità precise dei polaroni in uno schema efficiente dal punto di vista computazionale. Il nostro lavoro apre la strada a calcoli senza precedenti dei polaroni in sistemi di grandi dimensioni, a studi sistematici di grandi insiemi di materiali e a dinamiche molecolari che si evolvono su lunghi periodi di tempo".
RiferimentiStefano Falletta, Alfredo Pasquarello. L’autointerazione a molti corpi e i polaroni. Fisico. Rev. Lett. 129, 126401, 14 settembre 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.126401
Stefano Falletta, Alfredo Pasquarello. Polaroni liberi da autointerazione a molti corpi nella teoria funzionale della densità. Fisico. Rev. B 106, 125119, 14 settembre 2022. DOI: 10.1103/PhysRevB.106.125119
