Sebbene la maggior parte delle equazioni matematiche fondamentali che descrivono le strutture elettroniche siano note da tempo, sono troppo complesse per essere risolte nella pratica. Ciò ha ostacolato il progresso in fisica, chimica e scienze dei materiali. Grazie ai moderni cluster di calcolo ad alte prestazioni e all'istituzione della teoria del funzionale della densità del metodo di simulazione (DFT), i ricercatori sono stati in grado di cambiare questa situazione. Tuttavia, anche con questi strumenti i processi modellati sono in molti casi ancora drasticamente semplificati. Ora, i fisici del Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) e dell'Institute of Radiation Physics dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sono riusciti a migliorare significativamente il metodo DFT. Ciò apre nuove possibilità per esperimenti con laser ad altissima intensità, come spiega il gruppo nel Journal of Chemical Theory and Computation .

Nella nuova pubblicazione, il Dr. Tobias Dornheim, leader del Young Investigator Group, il Dr. Zhandos Moldabekov (entrambi CASUS, HZDR) e il Dr. Jan Vorberger (Institute of Radiation Physics, HZDR) affrontano una delle sfide più fondamentali del nostro tempo :descrive accuratamente come interagiscono miliardi di particelle quantistiche come gli elettroni. Questi cosiddetti sistemi quantistici a molti corpi sono al centro di molti campi di ricerca all'interno della fisica, della chimica, delle scienze dei materiali e delle discipline correlate. In effetti, la maggior parte delle proprietà dei materiali sono determinate dal complesso comportamento quantomeccanico degli elettroni interagenti. Sebbene le equazioni matematiche fondamentali che descrivono le strutture elettroniche siano, in linea di principio, note da tempo, sono troppo complesse per essere risolte nella pratica. Pertanto, l'effettiva comprensione dei materiali elaborati è rimasta molto limitata.

Questa situazione insoddisfacente è cambiata con l'avvento dei moderni cluster di calcolo ad alte prestazioni, che ha dato origine al nuovo campo della teoria quantistica computazionale a molti corpi. In questo caso, uno strumento particolarmente efficace è la teoria del funzionale della densità (DFT), che ha fornito informazioni senza precedenti sulle proprietà dei materiali. Il DFT è attualmente considerato uno dei metodi di simulazione più importanti in fisica, chimica e scienze dei materiali. È particolarmente abile nel descrivere i sistemi a molti elettroni. In effetti, il numero di pubblicazioni scientifiche basate sui calcoli DFT è aumentato esponenzialmente nell'ultimo decennio e le aziende hanno utilizzato il metodo per calcolare con successo le proprietà dei materiali con una precisione mai vista prima.

Superare una drastica semplificazione

Molte di queste proprietà che possono essere calcolate utilizzando DFT sono ottenute nell'ambito della teoria della risposta lineare. Questo concetto è utilizzato anche in molti esperimenti in cui viene misurata la risposta (lineare) del sistema di interesse a una perturbazione esterna come un laser. In questo modo è possibile diagnosticare il sistema e ottenere parametri essenziali come la densità o la temperatura. La teoria della risposta lineare spesso rende fattibili esperimenti e teorie in primo luogo ed è quasi onnipresente in tutta la fisica e nelle discipline correlate. Si tratta comunque di una drastica semplificazione dei processi e di un forte limite.

Nella loro ultima pubblicazione, i ricercatori stanno aprendo nuovi orizzonti estendendo il metodo DFT oltre il regime lineare semplificato. Pertanto, gli effetti non lineari in quantità come onde di densità, potenza di arresto e fattori di struttura possono essere calcolati e confrontati per la prima volta con i risultati sperimentali di materiali reali.

Prima di questa pubblicazione questi effetti non lineari venivano riprodotti solo da una serie di metodi di calcolo elaborati, vale a dire simulazioni Monte Carlo quantistiche. Sebbene fornisca risultati esatti, questo metodo è limitato a parametri di sistema vincolati, poiché richiede molta potenza di calcolo. Quindi, c'è stato un grande bisogno di metodi di simulazione più veloci.

"L'approccio DFT che presentiamo nel nostro articolo è da 1.000 a 10.000 volte più veloce dei calcoli Monte Carlo quantistici", afferma Zhandos Moldabekov. "Inoltre, siamo stati in grado di dimostrare attraverso regimi di temperatura che vanno da condizioni ambientali a condizioni estreme, che ciò non va a scapito dell'accuratezza. La metodologia basata su DFT delle caratteristiche di risposta non lineare degli elettroni quantistici apre la possibilità allettante per studiare nuovi fenomeni non lineari in materiali complessi."

Più opportunità per i moderni laser a elettroni liberi

"Vediamo che la nostra nuova metodologia si adatta molto bene alle capacità delle moderne strutture sperimentali come la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields, che è cooperata da HZDR ed è entrata in funzione solo di recente", spiega Jan Vorberger. "Con laser ad alta potenza e laser a elettroni liberi possiamo creare esattamente queste eccitazioni non lineari che ora possiamo studiare teoricamente ed esaminarle con una risoluzione temporale e spaziale senza precedenti. Strumenti teorici e sperimentali sono pronti per studiare nuovi effetti nella materia in condizioni estreme che hanno non era accessibile prima."

"Questo documento è un ottimo esempio per illustrare la direzione verso cui si sta dirigendo il mio gruppo di recente costituzione", afferma Tobias Dornheim, a capo del Young Investigator Group "Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory" installato all'inizio del 2022. "Siamo stati principalmente attivi nella comunità della fisica dell'alta densità di energia negli ultimi anni. Ora, siamo impegnati a spingere le frontiere della scienza fornendo soluzioni computazionali a problemi quantistici a molti corpi in molti contesti diversi. Crediamo che l'attuale progresso nella teoria della struttura elettronica sarà utile per i ricercatori in una serie di campi di ricerca." + Esplora ulteriormente

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