Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Oxford apresentou recentemente uma nova maneira de modelar polarons, uma quasipartícula normalmente usada por físicos para entender as interações entre elétrons e átomos em materiais sólidos. Seu método, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , combina modelagem teórica com simulações computacionais, permitindo observações aprofundadas dessas quasipartículas em uma ampla gama de materiais.

Essencialmente, um polaron é uma partícula composta composta por um elétron rodeado por uma nuvem de fônons (isto é, vibrações de rede). Esta quasipartícula é mais pesada do que o próprio elétron e, devido ao seu peso substancial, às vezes pode ficar preso em uma rede de cristal.

Os polarons contribuem para a corrente elétrica que alimenta várias ferramentas tecnológicas, incluindo diodos emissores de luz orgânicos e telas sensíveis ao toque. Compreender suas propriedades é, portanto, de importância fundamental, pois poderia ajudar a desenvolver a próxima geração de vários dispositivos de iluminação e optoeletrônica.

"Trabalhos anteriores sobre polarons basearam-se em modelos matemáticos idealizados, “Prof. Feliciano Giustino, o chefe da equipe que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Esses modelos têm sido muito úteis para entender as propriedades básicas dos polarons, mas eles não levam em consideração a estrutura dos materiais em escala atômica, portanto, eles não são suficientes quando tentamos estudar materiais reais para aplicações práticas. Nossa ideia era desenvolver uma metodologia computacional que possibilitasse investigações sistemáticas de polarons com precisão preditiva. "

O método desenvolvido pela equipe de Giustino é baseado na teoria do funcional da densidade, que é atualmente a ferramenta mais popular para modelagem e projeto preditivos de materiais usando a mecânica quântica. Um dos principais desafios encontrados ao estudar polarons com base nesta teoria é que os recursos computacionais necessários (horas de CPU) são proporcionais à terceira potência do número de átomos a serem simulados. Em outras palavras, se alguém estivesse estudando dois cristais com 10 e 20 átomos por célula unitária, o cálculo necessário para estudar o segundo cristal consumiria 8 vezes mais tempo do que o necessário para o primeiro.

Como muitos polarons têm 1-2 nanômetros de tamanho, cálculos para estudar esses sistemas exigiriam células de simulação com pelo menos 3, 000-5, 000 átomos. No entanto, os recursos de computação atuais teriam dificuldade para sustentar tais simulações e cada um dos muitos cálculos necessários para investigar esses sistemas levaria semanas, mesmo ao usar um supercomputador moderno.

"Nossa ideia era tentar tornar esse processo mais eficiente, aproveitando os avanços na chamada teoria de perturbação funcional da densidade, "Weng Hong Sio, o primeiro autor da obra, explicado. "Sem entrar em detalhes, fomos capazes de reformular o problema de realizar um cálculo de um polaron em uma grande célula de simulação no problema mais simples de realizar vários cálculos na menor célula unitária do cristal. Essa estratégia abriu novas possibilidades que antes eram inacessíveis. "

A abordagem desenvolvida pela equipe de Giustino pode ser usada para descrever polarons grandes e pequenos. Em seu estudo, por exemplo, os pesquisadores mostraram como ele pode ser usado para calcular as funções de onda, energias de formação e decomposição espectral de polarons em LiF e Li ₂ O ₂ compostos. Usando seu método de simulação, eles descobriram que os polarons em sais simples e óxidos de metal usados ​​em baterias têm uma estrutura interna muito mais rica do que a sugerida por trabalhos anteriores na área.

"Por exemplo, no sal prototípico de fluoreto de lítio, pensava-se anteriormente que o polaron surge da interação entre um elétron e fônons ópticos longitidinais, ou seja, as vibrações da rede que são responsáveis ​​pela resposta dielétrica do cristal, "Sio explicou." Descobrimos que estes não são os únicos fonons envolvidos, e que a interação entre o elétron e os fônons piezoacústicos (ou seja, as vibrações responsáveis ​​pela piezoeletricidade) também é importante. "

As observações coletadas pela equipe de Giustino mudam a perspectiva atual sobre os polarons no sal de lítio fouride, que é um sistema muito simples. Aplicar seu método a sistemas mais complexos poderia revelar estruturas ainda mais ricas, em última análise, melhorando nossa compreensão atual de suas propriedades e informando o desenvolvimento de novos materiais com propriedades polatrônicas personalizadas. Em suas pesquisas futuras, os pesquisadores planejam usar seu método para estudar outros materiais, a fim de avaliar ainda mais seu poder preditivo e obter uma melhor compreensão de outros materiais tecnologicamente importantes.

"Mais adiante na linha, será importante investigar o que um polaron pode fazer:por enquanto sabemos que podemos calcular a configuração de energia mais baixa de um polaron, mas não temos idéia do que acontece se este polaron for submetido a campos elétricos estáticos ou magnéticos ou à radiação eletromagnética, "Giustino disse." Além disso, interações próximas com grupos experimentais serão essenciais para traduzir essas descobertas em aplicações. "

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