I materiali sono composti da atomi, che sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. Le interazioni tra queste particelle determinano le proprietà del materiale, come la sua forza, conduttività e comportamento magnetico. Comprendere queste interazioni è essenziale per progettare nuovi materiali con le proprietà desiderate per un'ampia gamma di applicazioni, come lo stoccaggio di energia, l'elettronica e la catalisi.
Uno dei metodi più accurati per studiare il comportamento degli elettroni nei materiali è la teoria del funzionale della densità (DFT), che è un metodo ampiamente utilizzato per calcolare la struttura elettronica di atomi, molecole e solidi. Tuttavia, i calcoli DFT possono essere impegnativi dal punto di vista computazionale, soprattutto per i sistemi di grandi dimensioni o quelli contenenti elementi pesanti, rendendoli difficili da applicare in molti casi pratici.
L'approccio del campo autoconsistente (SCF) prevede la risoluzione delle equazioni di Kohn-Sham, un insieme di equazioni che definiscono i calcoli DFT. Nell'approccio tradizionale, le equazioni di Kohn-Sham vengono risolte espandendo le funzioni d'onda degli elettroni in un insieme finito di funzioni di base, come le onde piane. Questo approccio può essere computazionalmente costoso, soprattutto per i sistemi con un gran numero di atomi.
La nuova tecnica sviluppata dai ricercatori dell'Argonne utilizza un approccio più efficiente chiamato set di basi delle onde piane. In questo approccio, le funzioni d'onda sono rappresentate su una griglia e poi proiettate su un insieme di onde piane. Ciò riduce il costo computazionale dei calcoli e consente agli scienziati di studiare sistemi più grandi con maggiore precisione ed efficienza.
"Lo sviluppo di questa nuova tecnica rappresenta un passo avanti significativo nel campo della scienza computazionale dei materiali", ha affermato il dottor John Perdew, scienziato senior dell'Argonne e uno dei principali ricercatori dello studio. "Apre la porta a nuove possibilità per studiare il comportamento degli elettroni nei materiali, il che accelererà lo sviluppo di materiali avanzati."
I ricercatori hanno dimostrato la potenza della loro nuova tecnica studiando una varietà di materiali, tra cui silicio, acqua e un ossido complesso. Hanno scoperto che la loro tecnica può raggiungere una precisione simile ai tradizionali calcoli DFT ma con costi computazionali significativamente ridotti, rendendola uno strumento promettente per la futura ricerca sui materiali.
Lo studio, intitolato “Teoria funzionale della densità di campo autoconsistente con un set di basi di onde piane:formalismo e implementazione”, è stato pubblicato sul Journal of Chemical Physics ed è stato supportato dal DOE Office of Science. Il gruppo di ricerca comprendeva scienziati dell'Argonne National Laboratory, dell'Università della California, Berkeley e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
