La estabilización de Polaron abre una nueva física

Una de las muchas peculiaridades de la mecánica cuántica es que las partículas también pueden describirse como ondas. Un ejemplo común es el fotón, la partícula asociada con la luz.

En estructuras ordenadas, llamadas cristales, los electrones se pueden ver y describir como ondas que se propagan por todo el sistema, una imagen bastante armoniosa. A medida que los electrones se mueven a través del cristal, los iones (átomos que llevan una carga negativa o positiva) se organizan periódicamente en el espacio.

Ahora, si tuviéramos que agregar un electrón extra al cristal, su carga negativa podría empujar a los iones a su alrededor lejos de sus posiciones de equilibrio. La carga del electrón se localizaría en el espacio y se acoplaría a las distorsiones estructurales circundantes – “redes” – del cristal, dando lugar a una nueva partícula conocida como polarón.

“Técnicamente, un polarón es una cuasipartícula que consiste en un electrón ‘vestido’ por sus fonones autoinducidos, que representan las vibraciones cuantificadas del cristal”, explica Stefano Falletta de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL. Continúa: “La estabilidad de los polarones resulta de una competencia entre dos contribuciones de energía: la ganancia debido a la localización de las cargas y el costo debido a las distorsiones de la red. Cuando el polarón se desestabiliza, el electrón adicional se reubica en todo el sistema, mientras que los iones restauran sus posiciones de equilibrio.

En colaboración con el profesor Alfredo Pasquarello de la EPFL, publicaron dos artículos en Cartas de exploración física y Exploración física B describe un nuevo enfoque para resolver una brecha importante en una teoría bien establecida que los físicos usan para estudiar las interacciones de los electrones en los materiales. El método se llama teoría funcional de la densidad o DFT, y se utiliza en física, química y ciencia de materiales para estudiar la estructura electrónica de sistemas de muchos cuerpos como átomos y moléculas.

DFT es una poderosa herramienta para realizar cálculos ab-initio de materiales, mediante un tratamiento simplificado de las interacciones electrónicas. Sin embargo, la DFT es sensible a las interacciones espurias del electrón consigo mismo, lo que los físicos llaman el “problema de la autointeracción”. Esta autointeracción es una de las mayores limitaciones de DFT, lo que a menudo conduce a una descripción incorrecta de los polarones, que a menudo están desestabilizados.

“En nuestro trabajo, presentamos una formulación teórica para la autointeracción de los electrones que resuelve el problema de la localización de polarones en la teoría funcional de la densidad”, dice Falletta. “Esto proporciona acceso a estabilidades precisas de polarones en un esquema computacionalmente eficiente. Nuestro estudio allana el camino para cálculos sin precedentes de polarones en grandes sistemas, estudios sistemáticos que involucran grandes conjuntos de materiales o dinámicas moleculares que evolucionan durante largos períodos de tiempo.