Un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford ha introducido recientemente una nueva forma de modelar polarones, una cuasipartícula que suelen utilizar los físicos para comprender las interacciones entre electrones y átomos en materiales sólidos. Su método, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , combina el modelado teórico con simulaciones computacionales, permitiendo observaciones en profundidad de estas cuasipartículas en una amplia gama de materiales.

Esencialmente, un polarón es una partícula compuesta formada por un electrón rodeado por una nube de fonones (es decir, vibraciones reticulares). Esta cuasipartícula es más pesada que el propio electrón y, debido a su peso sustancial, a veces puede quedar atrapada en una red cristalina.

Los polarones contribuyen a la corriente eléctrica que alimenta varias herramientas tecnológicas, incluyendo pantallas táctiles y diodos emisores de luz orgánicos. Comprender sus propiedades es, por tanto, de vital importancia, ya que podría ayudar a desarrollar la próxima generación de varios dispositivos para iluminación y optoelectrónica.

"El trabajo anterior sobre polarones se basó en modelos matemáticos idealizados, "Prof. Feliciano Giustino, el jefe del equipo que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Estos modelos han sido muy útiles para comprender las propiedades básicas de los polarones, pero no tienen en cuenta la estructura de los materiales a escala atómica, por lo tanto, no son suficientes cuando intentamos estudiar materiales reales para aplicaciones prácticas. Nuestra idea era desarrollar una metodología computacional que permitiera investigaciones sistemáticas de polarones con precisión predictiva ".

El método ideado por el equipo de Giustino se basa en la teoría de densidad funcional, que es actualmente la herramienta más popular para el modelado y diseño de materiales predictivos utilizando la mecánica cuántica. Uno de los principales desafíos que se encuentran al estudiar los polarones basados ​​en esta teoría es que los recursos computacionales requeridos (horas de CPU) son proporcionales a la tercera potencia del número de átomos a simular. En otras palabras, si uno estuviera estudiando dos cristales con 10 y 20 átomos por celda unitaria, el cálculo requerido para estudiar el segundo cristal requeriría 8 veces más tiempo que el requerido para el primero.

Como muchos polarones tienen un tamaño de 1-2 nanómetros, Los cálculos para estudiar estos sistemas requerirían celdas de simulación con al menos 3, 000-5, 000 átomos. Sin embargo, las capacidades de cálculo actuales tendrían dificultades para mantener tales simulaciones y cada uno de los muchos cálculos necesarios para investigar estos sistemas llevaría semanas. incluso cuando se utiliza una supercomputadora moderna.

"Nuestra idea era intentar hacer este proceso más eficiente aprovechando los avances en la llamada teoría de perturbación funcional de densidad, "Weng Hong Sio, el primer autor de la obra, explicado. "Sin entrar en detalles, pudimos reformular el problema de realizar un cálculo de un polarón en una gran celda de simulación en el problema más simple de realizar múltiples cálculos en la celda unitaria más pequeña del cristal. Esta estrategia abrió nuevas posibilidades que antes eran inaccesibles ".

El enfoque ideado por el equipo de Giustino se puede utilizar para describir tanto polarones grandes como pequeños. En su estudio, por ejemplo, los investigadores mostraron cómo se puede utilizar para calcular las funciones de onda, energías de formación y descomposición espectral de polarones en LiF y Li ₂ O ₂ compuestos. Usando su método de simulación, descubrieron que los polarones en las sales simples y los óxidos metálicos utilizados en las baterías tienen una estructura interna mucho más rica que la sugerida por trabajos previos en el campo.

"Por ejemplo, en la sal prototípica de fluoruro de litio, Anteriormente se pensaba que el polarón surge de la interacción entre un electrón y fonones ópticos longitidinales, es decir, las vibraciones de la red que son responsables de la respuesta dieléctrica del cristal, "Sio explicó." Descubrimos que estos no son los únicos fonones involucrados, y que la interacción entre el electrón y los fonones piezoacústicos (es decir, las vibraciones responsables de la piezoelectricidad) también es importante ".

Las observaciones recopiladas por el equipo de Giustino cambian la perspectiva actual sobre los polarones en el fouride de litio y sal, que es un sistema muy simple. La aplicación de su método a sistemas más complejos podría revelar estructuras aún más ricas, en última instancia, mejorando nuestra comprensión actual de sus propiedades e informando el desarrollo de nuevos materiales con propiedades polatrónicas personalizadas. En su investigación futura, los investigadores planean usar su método para estudiar otros materiales, para evaluar aún más su poder predictivo y lograr una mejor comprensión de otros materiales tecnológicamente importantes.

"Más adelante será importante investigar qué puede hacer un polarón:por ahora sabemos que podemos calcular la configuración de energía más baja de un polarón, pero no tenemos ni idea de lo que sucede si este polarón se somete a campos eléctricos o magnéticos estáticos oa radiación electromagnética, "Dijo Giustino." Además, Las interacciones estrechas con grupos experimentales serán esenciales para traducir estos hallazgos en aplicaciones ".

© 2019 Science X Network