Stabilisering av polaroner åpner for ny fysikk

Fysikere ved EPFL har utviklet en formulering for å løse det langvarige problemet med elektron-selvinteraksjon når de studerer polaroner – kvasipartikler produsert av elektron-fonon-interaksjoner i materialer. Arbeidet kan føre til enestående beregninger av polaroner i store systemer, systematiske studier av store sett med materialer og molekylær dynamikk som utvikler seg over lange tidsperioder.

En av kvantemekanikkens mange særegenheter er at partikler også kan beskrives som bølger. Et vanlig eksempel er fotonet, partikkelen assosiert med lys.

I ordnede strukturer, kjent som krystaller, kan elektroner sees og beskrives som bølger som sprer seg over hele systemet – et ganske harmonisk bilde. Når elektroner beveger seg gjennom krystallen, vil ioner—atomer bære en negativ eller positiv ladning-er periodisk arrangert i verdensrommet.

Nå, hvis vi skulle legge til et ekstra elektron til krystallen, er det negativ ladning kunne få ionene rundt den til å bevege seg bort fra sine likevektsposisjoner. Elektronladningen vil lokalisere seg i rommet og koble seg til de omkringliggende strukturelle – “gitteret” – forvrengninger av krystallen, noe som gir opphav til en ny partikkel kjent som en polaron.

“Teknisk sett er en polaron en kvasipartikkel, som består av et elektron “kledd” av sine selvinduserte fononer, som representerer de kvantiserte vibrasjonene til krystallen,” sier Stefano Falletta ved EPFLs School of Basic Sciences. “Stabiliteten til polaroner oppstår fra en konkurranse mellom to energibidrag: gevinsten på grunn av ladningslokalisering, og kostnaden på grunn av gitterforvrengninger. Når polaronet destabiliserer, delokaliserer det ekstra elektronet over hele systemet, mens ionene gjenoppretter likevektsposisjonene sine. .”

I samarbeid med professor Alfredo Pasquarello ved EPFL har de publisert to artikler i Fysiske gjennomgangsbrev og Fysisk gjennomgang B beskriver en ny tilnærming for å løse en stor mangel ved en veletablert teori som fysikere bruker for å studere interaksjoner mellom elektroner i materialer. Metoden kalles tetthetsfunksjonsteori eller DFT, og brukes i fysikk, kjemi og materialvitenskap å studere den elektroniske strukturen til mangekroppssystemer som atomer og molekyler.

DFT er et kraftig verktøy for å utføre ab-initio beregninger av materialer, ved forenklet behandling av elektroninteraksjonene. Imidlertid er DFT utsatt for falske interaksjoner mellom elektronet og dets eget jeg – det fysikere omtaler som “selvinteraksjonsproblemet.” Denne selvinteraksjonen er en av de største begrensningene ved DFT, som ofte fører til feil beskrivelse av polaroner, som ofte er destabiliserte.

“I arbeidet vårt introduserer vi en teoretisk formulering for elektronselvinteraksjonen som løser problemet med polaronlokalisering i tetthetsfunksjonsteori,” sier Falletta. “Dette gir tilgang til nøyaktige polaronstabiliteter innenfor en beregningseffektiv ordning. Vår studie baner vei for enestående beregninger av polaroner i store systemer, i systematiske studier som involverer store sett med materialer, eller i molekylær dynamikk utvikler seg over lange tidsperioder.”

---

---