Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om berekeningen te versnellen die onthullen hoe elektronen op elkaar inwerken in materialen. Deze vooruitgang zal wetenschappers in staat stellen nieuwe materialen te ontwerpen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder zonnecellen, batterijen en katalysatoren.

De nieuwe techniek, genaamd "self-consistent-field density functionele theorie met dynamische screening" (SCF-DFT+DS), vermindert de rekenkosten voor het berekenen van de elektronendichtheid in een materiaal tot 90% in vergelijking met conventionele methoden. Dit maakt het mogelijk om berekeningen uit te voeren op veel grotere systemen, zoals die gevonden worden in materialen uit de echte wereld.

"SCF-DFT+DS is een belangrijke doorbraak op het gebied van de materiaalkunde", zegt Argonne-wetenschapper Giulia Galli, die het onderzoeksteam leidde. "Het zal ons in staat stellen een breder scala aan materialen en verschijnselen te bestuderen en nieuwe materialen te ontwerpen met verbeterde eigenschappen voor een verscheidenheid aan toepassingen."

De SCF-DFT+DS-techniek is gebaseerd op een herformulering van de vergelijkingen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). DFT is een veelgebruikte methode voor het berekenen van de elektronische structuur van materialen, maar kan rekentechnisch duur zijn voor grote systemen. De nieuwe techniek maakt gebruik van een vereenvoudigde weergave van de elektron-elektron-interactie, waardoor de rekenkosten worden verlaagd zonder dat dit ten koste gaat van de nauwkeurigheid.

Het onderzoeksteam testte de nieuwe techniek op verschillende systemen, waaronder halfgeleiders, metalen en isolatoren. Ze ontdekten dat SCF-DFT+DS resultaten opleverde die uitstekend overeenkwamen met conventionele DFT, maar tegen een fractie van de rekenkosten.

"SCF-DFT+DS is een krachtig nieuw hulpmiddel dat nieuwe mogelijkheden zal openen voor materiaalonderzoek", aldus Galli. "We zijn enthousiast om het potentieel ervan te verkennen en het te gebruiken om nieuwe materialen te ontwerpen voor een schonere, duurzamere toekomst."

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.