Los materiales están compuestos de átomos, que a su vez están formados por protones, neutrones y electrones. Las interacciones entre estas partículas determinan las propiedades del material, como su resistencia, conductividad y comportamiento magnético. Comprender estas interacciones es esencial para diseñar nuevos materiales con las propiedades deseadas para una amplia gama de aplicaciones, como el almacenamiento de energía, la electrónica y la catálisis.
Uno de los métodos más precisos para estudiar el comportamiento de los electrones en materiales es la teoría funcional de la densidad (DFT), que es un método ampliamente utilizado para calcular la estructura electrónica de átomos, moléculas y sólidos. Sin embargo, los cálculos de DFT pueden ser computacionalmente intensivos, especialmente para sistemas grandes o aquellos que contienen elementos pesados, lo que dificulta su aplicación en muchos casos prácticos.
El enfoque de campo autoconsistente (SCF) implica resolver las ecuaciones de Kohn-Sham, un conjunto de ecuaciones que definen los cálculos de DFT. En el enfoque tradicional, las ecuaciones de Kohn-Sham se resuelven expandiendo las funciones de onda de los electrones en un conjunto finito de funciones básicas, como las ondas planas. Este enfoque puede resultar costoso desde el punto de vista computacional, especialmente para sistemas con una gran cantidad de átomos.
La nueva técnica desarrollada por los investigadores de Argonne utiliza un enfoque más eficiente llamado conjunto básico de ondas planas. En este enfoque, las funciones de onda se representan en una cuadrícula y luego se proyectan en un conjunto de ondas planas. Esto reduce el coste computacional de los cálculos y permite a los científicos estudiar sistemas más grandes con mayor precisión y eficiencia.
"El desarrollo de esta nueva técnica es un avance significativo en el campo de la ciencia de materiales computacional", afirmó el Dr. John Perdew, científico senior de Argonne y uno de los investigadores principales del estudio. "Abre la puerta a nuevas posibilidades para estudiar el comportamiento de los electrones en materiales, lo que acelerará el desarrollo de materiales avanzados".
Los investigadores demostraron el poder de su nueva técnica estudiando una variedad de materiales, incluidos silicio, agua y un material de óxido complejo. Descubrieron que su técnica puede lograr una precisión similar a la de los cálculos DFT tradicionales, pero con un costo computacional significativamente reducido, lo que la convierte en una herramienta prometedora para futuras investigaciones de materiales.
El estudio, titulado "Teoría funcional de densidad de campo autoconsistente con un conjunto de bases de ondas planas:formalismo e implementación", se publicó en el Journal of Chemical Physics y contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE. El equipo de investigación incluyó científicos del Laboratorio Nacional Argonne, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
