Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die berekeningen aanzienlijk kan versnellen die onthullen hoe elektronen op elkaar inwerken in materialen. Deze techniek, de 'zelfconsistente velddichtheidsfunctionaaltheorie (SCF-DFT) met een planewave-basisset' genoemd, stelt wetenschappers in staat materialen met grotere nauwkeurigheid en efficiëntie te bestuderen dan voorheen mogelijk was.

Materialen zijn samengesteld uit atomen, die zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. De interacties tussen deze deeltjes bepalen de eigenschappen van het materiaal, zoals de sterkte, geleidbaarheid en magnetisch gedrag. Het begrijpen van deze interacties is essentieel voor het ontwerpen van nieuwe materialen met gewenste eigenschappen voor een breed scala aan toepassingen, zoals energieopslag, elektronica en katalyse.

Een van de meest nauwkeurige methoden om het gedrag van elektronen in materialen te bestuderen is de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een veelgebruikte methode voor het berekenen van de elektronische structuur van atomen, moleculen en vaste stoffen. DFT-berekeningen kunnen echter rekenintensief zijn, vooral voor grote systemen of systemen die zware elementen bevatten, waardoor ze in veel praktische gevallen lastig toe te passen zijn.

De zelfconsistente veldbenadering (SCF) omvat het oplossen van de Kohn-Sham-vergelijkingen, een reeks vergelijkingen die DFT-berekeningen definiëren. In de traditionele benadering worden de Kohn-Sham-vergelijkingen opgelost door de golffuncties van de elektronen uit te breiden tot een eindige reeks basisfuncties, zoals vlakke golven. Deze aanpak kan rekenkundig duur zijn, vooral voor systemen met een groot aantal atomen.

De nieuwe techniek ontwikkeld door de Argonne-onderzoekers maakt gebruik van een efficiëntere aanpak, de zogenaamde planewave-basisset. Bij deze benadering worden de golffuncties weergegeven op een raster en vervolgens geprojecteerd op een reeks vlakke golven. Dit vermindert de rekenkosten van de berekeningen en stelt wetenschappers in staat grotere systemen met grotere nauwkeurigheid en efficiëntie te bestuderen.

"De ontwikkeling van deze nieuwe techniek is een belangrijke doorbraak op het gebied van computationele materiaalkunde", zegt dr. John Perdew, senior wetenschapper bij Argonne en een van de hoofdonderzoekers van het onderzoek. "Het opent de deur naar nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van het gedrag van elektronen in materialen, wat de ontwikkeling van geavanceerde materialen zal versnellen."

De onderzoekers demonstreerden de kracht van hun nieuwe techniek door een verscheidenheid aan materialen te bestuderen, waaronder silicium, water en een complex oxidemateriaal. Ze ontdekten dat hun techniek een vergelijkbare nauwkeurigheid kan bereiken als traditionele DFT-berekeningen, maar met aanzienlijk lagere rekenkosten, waardoor het een veelbelovend hulpmiddel is voor toekomstig materiaalonderzoek.

De studie, getiteld "Self-consistent field density functionele theorie met een planewave-basisset:formalisme en implementatie", werd gepubliceerd in de Journal of Chemical Physics en werd ondersteund door het DOE Office of Science. Het onderzoeksteam bestond uit wetenschappers van het Argonne National Laboratory, de University of California, Berkeley en de University of Illinois in Urbana-Champaign.