Een team van onderzoekers van de Universiteit van Oxford heeft onlangs een nieuwe manier geïntroduceerd om polaronen te modelleren, een quasideeltje dat doorgaans door natuurkundigen wordt gebruikt om interacties tussen elektronen en atomen in vaste materialen te begrijpen. hun methode, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , combineert theoretische modellering met computationele simulaties, waardoor diepgaande observaties van deze quasideeltjes in een breed scala aan materialen mogelijk zijn.

Eigenlijk, een polaron is een samengesteld deeltje dat bestaat uit een elektron omgeven door een wolk van fononen (d.w.z. roostertrillingen). Dit quasideeltje is zwaarder dan het elektron zelf en kan door zijn forse gewicht soms vast komen te zitten in een kristalrooster.

Polarons dragen bij aan de elektrische stroom die verschillende technologische hulpmiddelen aandrijft, inclusief organische light-emitting diodes en touchscreens. Het begrijpen van hun eigenschappen is dus van cruciaal belang, omdat het zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van de volgende generatie van verschillende apparaten voor verlichting en opto-elektronica.

"Eerder werk aan polarons was gebaseerd op geïdealiseerde wiskundige modellen, " Prof. Feliciano Giustino, het hoofd van het team dat het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Deze modellen zijn erg nuttig geweest om de basiseigenschappen van polarons te begrijpen, maar ze houden geen rekening met de structuur van materialen op atomaire schaal, daarom zijn ze niet voldoende als we echte materialen proberen te bestuderen voor praktische toepassingen. Ons idee was om een ​​computationele methodologie te ontwikkelen die systematisch onderzoek van polarons met voorspellende nauwkeurigheid mogelijk zou maken."

De door Giustino's team bedachte methode is gebaseerd op de dichtheidsfunctionele theorie, wat momenteel de meest populaire tool is voor het modelleren en ontwerpen van voorspellende materialen met behulp van kwantummechanica. Een van de belangrijkste uitdagingen bij het bestuderen van polarons op basis van deze theorie is dat de benodigde rekenkracht (CPU-uren) evenredig is met de derde macht van het aantal te simuleren atomen. Met andere woorden, als je twee kristallen bestudeert met 10 en 20 atomen per eenheidscel, de berekening die nodig is om het tweede kristal te bestuderen zou 8 keer meer tijd in beslag nemen dan voor het eerste.

Omdat veel polarons 1-2 nanometer groot zijn, berekeningen voor het bestuderen van deze systemen zouden simulatiecellen vereisen met ten minste 3, 000-5, 000 atomen. Maar de huidige rekencapaciteiten zouden moeite hebben om dergelijke simulaties vol te houden en elk van de vele berekeningen die nodig zijn om deze systemen te onderzoeken, zou weken duren, zelfs bij gebruik van een moderne supercomputer.

"Ons idee was om te proberen dit proces efficiënter te maken door gebruik te maken van de vooruitgang in de zogenaamde dichtheids-functionele verstoringstheorie, "Weng Hong Sio, de eerste auteur van het werk, uitgelegd. "Zonder in details te treden, we waren in staat om het probleem van het uitvoeren van één berekening van een polaron in een grote simulatiecel te herschikken in het eenvoudigere probleem van het uitvoeren van meerdere berekeningen in de kleinste eenheidscel van het kristal. Deze strategie opende nieuwe mogelijkheden die voorheen ontoegankelijk waren."

De benadering die door het team van Giustino is bedacht, kan worden gebruikt om zowel grote als kleine polarons te beschrijven. In hun studie hebben bijvoorbeeld, de onderzoekers lieten zien hoe het kan worden gebruikt om de golffuncties te berekenen, vormingsenergieën en spectrale ontleding van polaronen in LiF en Li ₂ O ₂ verbindingen. Met behulp van hun simulatiemethode, ze ontdekten dat polaronen in eenvoudige zouten en metaaloxiden die in batterijen worden gebruikt, een veel rijkere interne structuur hebben dan door eerdere werken in het veld werd gesuggereerd.

"Bijvoorbeeld, in het prototypische zout lithiumfluoride, eerder werd gedacht dat de polaron voortkomt uit de interactie tussen een elektron en longitudinale optische fononen, d.w.z. de roostertrillingen die verantwoordelijk zijn voor de diëlektrische respons van het kristal, " legde Sio uit. "We ontdekten dat dit niet de enige betrokken fononen zijn, en dat de interactie tussen het elektron en piëzo-akoestische fononen (d.w.z. de trillingen die verantwoordelijk zijn voor piëzo-elektriciteit) ook belangrijk is."

De waarnemingen verzameld door Giustino's team veranderen het huidige perspectief op de polaronen in zout lithium fouride, wat een heel eenvoudig systeem is. Het toepassen van hun methode op complexere systemen zou nog rijkere structuren kunnen onthullen, uiteindelijk het verbeteren van ons huidige begrip van hun eigenschappen en het informeren van de ontwikkeling van nieuwe materialen met op maat gemaakte polatronische eigenschappen. In hun toekomstig onderzoek de onderzoekers zijn van plan hun methode te gebruiken om andere materialen te bestuderen, om de voorspellende kracht ervan verder te beoordelen en een beter begrip te krijgen van andere technologisch belangrijke materialen.

"Verderop zal het belangrijk zijn om te onderzoeken wat een polaron kan doen:voorlopig weten we dat we de laagste energieconfiguratie van een polaron kunnen berekenen, maar we hebben geen idee wat er gebeurt als deze polaron wordt blootgesteld aan statische elektrische of magnetische velden of aan elektromagnetische straling, " zei Giustino. "Bovendien, nauwe interacties met experimentele groepen zullen essentieel zijn om deze bevindingen in toepassingen te vertalen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk