Fremskynde beregninger, der afslører, hvordan elektroner interagerer i materialer

Forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny teknik til at fremskynde beregninger, der afslører, hvordan elektroner interagerer i materialer. Dette fremskridt vil give videnskabsfolk mulighed for at designe nye materialer til en række forskellige anvendelser, herunder solceller, batterier og katalysatorer.

Den nye teknik, kaldet "self-consistent-field density functional theory with dynamic screening" (SCF-DFT+DS), reducerer de beregningsmæssige omkostninger ved at beregne elektrondensiteten i et materiale med op til 90% sammenlignet med konventionelle metoder. Dette gør det muligt at udføre beregninger på meget større systemer, såsom dem, der findes i materialer fra den virkelige verden.

"SCF-DFT+DS er et væsentligt gennembrud inden for materialevidenskab," sagde Argonne-forsker Giulia Galli, der ledede forskerholdet. "Det vil gøre os i stand til at studere en bredere vifte af materialer og fænomener og designe nye materialer med forbedrede egenskaber til en række forskellige anvendelser."

SCF-DFT+DS-teknikken er baseret på en omformulering af ligningerne for densitetsfunktionsteori (DFT). DFT er en meget brugt metode til at beregne den elektroniske struktur af materialer, men det kan være beregningsmæssigt dyrt for store systemer. Den nye teknik bruger en forenklet repræsentation af elektron-elektron-interaktionen, som reducerer beregningsomkostningerne uden at ofre nøjagtigheden.

Forskerholdet testede den nye teknik på flere systemer, herunder halvledere, metaller og isolatorer. De fandt ud af, at SCF-DFT+DS gav resultater, der var i fremragende overensstemmelse med konventionel DFT, men til en brøkdel af beregningsomkostningerne.

"SCF-DFT+DS er et kraftfuldt nyt værktøj, der vil åbne op for nye muligheder for materialeforskning," sagde Galli. "Vi er spændte på at udforske dets potentiale og bruge det til at designe nye materialer til en renere, mere bæredygtig fremtid."

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters.