Embora a maioria das equações matemáticas fundamentais que descrevem estruturas eletrônicas sejam conhecidas há muito tempo, elas são muito complexas para serem resolvidas na prática. Isso tem dificultado o progresso da física, da química e das ciências dos materiais. Graças aos modernos clusters de computação de alto desempenho e ao estabelecimento da teoria funcional da densidade do método de simulação (DFT), os pesquisadores conseguiram mudar essa situação. No entanto, mesmo com essas ferramentas, os processos modelados são, em muitos casos, ainda drasticamente simplificados. Agora, os físicos do Centro de Entendimento Avançado de Sistemas (CASUS) e do Instituto de Física da Radiação no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) conseguiram melhorar significativamente o método DFT. Isso abre novas possibilidades para experimentos com lasers de ultra-alta intensidade, como explica o grupo no Journal of Chemical Theory and Computation .
Na nova publicação, o líder do grupo de jovens pesquisadores Dr. Tobias Dornheim, autor principal Dr. Zhandos Moldabekov (ambos CASUS, HZDR) e Dr. Jan Vorberger (Institute of Radiation Physics, HZDR) assumem um dos desafios mais fundamentais do nosso tempo :descrevendo com precisão como bilhões de partículas quânticas, como elétrons, interagem. Esses chamados sistemas quânticos de muitos corpos estão no centro de muitos campos de pesquisa dentro da física, química, ciência dos materiais e disciplinas relacionadas. De fato, a maioria das propriedades dos materiais é determinada pelo comportamento complexo da mecânica quântica dos elétrons que interagem. Embora as equações matemáticas fundamentais que descrevem estruturas eletrônicas sejam, em princípio, conhecidas há muito tempo, elas são muito complexas para serem resolvidas na prática. Portanto, a compreensão real de materiais elaborados permanece muito limitada.

Essa situação insatisfatória mudou com o advento dos modernos clusters de computação de alto desempenho, que deu origem ao novo campo da teoria computacional quântica de muitos corpos. Aqui, uma ferramenta particularmente bem-sucedida é a teoria funcional da densidade (DFT), que forneceu insights sem precedentes sobre as propriedades dos materiais. A DFT é atualmente considerada um dos métodos de simulação mais importantes em física, química e ciências dos materiais. É especialmente hábil na descrição de sistemas de muitos elétrons. De fato, o número de publicações científicas baseadas em cálculos de DFT tem aumentado exponencialmente na última década e as empresas usaram o método para calcular com sucesso as propriedades dos materiais tão precisos como nunca antes.

Superando uma simplificação drástica

Muitas dessas propriedades que podem ser calculadas usando DFT são obtidas na estrutura da teoria da resposta linear. Este conceito também é usado em muitos experimentos nos quais a resposta (linear) do sistema de interesse a uma perturbação externa, como um laser, é medida. Desta forma, o sistema pode ser diagnosticado e parâmetros essenciais como densidade ou temperatura podem ser obtidos. A teoria da resposta linear geralmente torna o experimento e a teoria viáveis ​​em primeiro lugar e é quase onipresente em toda a física e disciplinas relacionadas. No entanto, ainda é uma simplificação drástica dos processos e uma forte limitação.

Em sua última publicação, os pesquisadores estão abrindo novos caminhos ao estender o método DFT além do regime linear simplificado. Assim, efeitos não lineares em quantidades como ondas de densidade, poder de parada e fatores de estrutura podem ser calculados e comparados com resultados experimentais de materiais reais pela primeira vez.

Antes desta publicação, esses efeitos não lineares eram reproduzidos apenas por um conjunto de métodos de cálculo elaborados, ou seja, simulações quânticas de Monte Carlo. Apesar de fornecer resultados exatos, esse método é limitado a parâmetros restritos do sistema, pois requer muito poder computacional. Por isso, tem havido uma grande necessidade de métodos de simulação mais rápidos.

“A abordagem DFT que apresentamos em nosso artigo é 1.000 a 10.000 vezes mais rápida que os cálculos quânticos de Monte Carlo”, diz Zhandos Moldabekov. "Além disso, fomos capazes de demonstrar em regimes de temperatura que variam de ambiente a condições extremas, que isso não prejudica a precisão. A metodologia baseada em DFT das características de resposta não linear de elétrons correlacionados quânticos abre a possibilidade atraente estudar novos fenômenos não lineares em materiais complexos."

Mais oportunidades para lasers de elétrons livres modernos

"Vemos que nossa nova metodologia se ajusta muito bem às capacidades de instalações experimentais modernas, como a Helmholtz International Beamline for Extreme Fields, que é cooperada pela HZDR e entrou em operação apenas recentemente", explica Jan Vorberger. "Com lasers de alta potência e lasers de elétrons livres, podemos criar exatamente essas excitações não lineares que agora podemos estudar teoricamente e examiná-las com resolução temporal e espacial sem precedentes. Ferramentas teóricas e experimentais estão prontas para estudar novos efeitos na matéria sob condições extremas que têm não estava acessível antes."

“Este artigo é um ótimo exemplo para ilustrar a direção para a qual meu grupo recém-criado está indo”, diz Tobias Dornheim, liderando o Young Investigator Group “Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory” instalado no início de 2022. na comunidade de física de alta densidade de energia nos últimos anos. Agora, estamos dedicados a empurrar as fronteiras da ciência, fornecendo soluções computacionais para problemas quânticos de muitos corpos em muitos contextos diferentes. Acreditamos que o atual avanço na teoria da estrutura eletrônica será útil para pesquisadores em vários campos de pesquisa." + Explorar mais

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