Fremskynde beregninger, der afslører, hvordan elektroner interagerer i materialer

Forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny teknik, der markant kan fremskynde beregninger, der afslører, hvordan elektroner interagerer i materialer. Denne teknik, kaldet "selv-konsistent feltdensitet funktionel teori (SCF-DFT) med et planbølgebasissæt," gør det muligt for forskere at studere materialer med større nøjagtighed og effektivitet, end det tidligere var muligt.

Materialer er sammensat af atomer, som er opbygget af protoner, neutroner og elektroner. Interaktionerne mellem disse partikler bestemmer materialets egenskaber, såsom dets styrke, ledningsevne og magnetiske opførsel. At forstå disse interaktioner er afgørende for at designe nye materialer med ønskede egenskaber til en bred vifte af applikationer, såsom energilagring, elektronik og katalyse.

En af de mest præcise metoder til at studere elektronernes adfærd i materialer er densitetsfunktionsteori (DFT), som er en meget brugt metode til at beregne den elektroniske struktur af atomer, molekyler og faste stoffer. DFT-beregninger kan dog være beregningskrævende, især for store systemer eller dem, der indeholder tunge elementer, hvilket gør dem udfordrende at anvende i mange praktiske tilfælde.

Den selvkonsistente felttilgang (SCF) involverer løsning af Kohn-Sham-ligningerne, et sæt ligninger, der definerer DFT-beregninger. I den traditionelle tilgang løses Kohn-Sham-ligningerne ved at udvide elektronernes bølgefunktioner i et endeligt sæt af basisfunktioner, såsom plane bølger. Denne tilgang kan være beregningsmæssigt dyr, især for systemer med et stort antal atomer.

Den nye teknik udviklet af Argonne-forskerne bruger en mere effektiv tilgang kaldet planbølgebasissættet. I denne tilgang er bølgefunktionerne repræsenteret på et gitter og derefter projiceret på et sæt plane bølger. Dette reducerer de beregningsmæssige omkostninger ved beregningerne og gør det muligt for forskere at studere større systemer med større nøjagtighed og effektivitet.

"Udviklingen af ​​denne nye teknik er et væsentligt gennembrud inden for computermaterialevidenskab," sagde Dr. John Perdew, seniorforsker ved Argonne og en af ​​undersøgelsens hovedforskere. "Det åbner døren til nye muligheder for at studere elektronernes adfærd i materialer, hvilket vil fremskynde udviklingen af ​​avancerede materialer."

Forskerne demonstrerede styrken af ​​deres nye teknik ved at studere en række forskellige materialer, herunder silicium, vand og et komplekst oxidmateriale. De fandt ud af, at deres teknik kan opnå samme nøjagtighed som traditionelle DFT-beregninger, men med betydeligt reducerede beregningsomkostninger, hvilket gør det til et lovende værktøj til fremtidig materialeforskning.

Undersøgelsen, med titlen "Selvkonsistent felttæthed funktionel teori med et planbølgebasissæt:Formalisme og implementering," blev offentliggjort i Journal of Chemical Physics og blev støttet af DOE Office of Science. Forskerholdet omfattede forskere fra Argonne National Laboratory, University of California, Berkeley og University of Illinois i Urbana-Champaign.