Aunque la mayoría de las ecuaciones matemáticas fundamentales que describen estructuras electrónicas se conocen desde hace mucho tiempo, son demasiado complejas para resolverlas en la práctica. Esto ha obstaculizado el progreso en la física, la química y las ciencias materiales. Gracias a los modernos clústeres de computación de alto rendimiento y al establecimiento del método de simulación de la teoría funcional de la densidad (DFT), los investigadores pudieron cambiar esta situación. Sin embargo, incluso con estas herramientas, los procesos modelados en muchos casos aún se simplifican drásticamente. Ahora, los físicos del Centro para la Comprensión de Sistemas Avanzados (CASUS) y el Instituto de Física de la Radiación en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) lograron mejorar significativamente el método DFT. Esto abre nuevas posibilidades para experimentos con láseres de ultra alta intensidad, como explica el grupo en el Revista de teoría química y computación.
En la nueva publicación, el líder del grupo de jóvenes investigadores, el Dr. Tobias Dornheim, el autor principal, el Dr. Zhados Moldabekov (ambos CASUS, HZDR) y el Dr. Jan Vorberger (Instituto de Física de la Radiación, HZDR) asumen uno de los desafíos más fundamentales de nuestro tiempo. : describe con precisión cómo interactúan miles de millones de partículas cuánticas, como los electrones. Estos llamados sistemas cuánticos de muchos cuerpos están en el centro de muchos campos de investigación dentro de la física, la química, la ciencia de los materiales y disciplinas relacionadas. De hecho, la mayoría de las propiedades de los materiales están determinadas por el complejo comportamiento mecánico cuántico de los electrones que interactúan. Si bien las ecuaciones matemáticas fundamentales que describen las estructuras electrónicas son, en principio, conocidas desde hace mucho tiempo, son demasiado complejas para resolverlas en la práctica. Por lo tanto, la comprensión real de, por ejemplo, materiales de diseño elaborado, sigue siendo muy limitada.
Esta situación insatisfactoria ha cambiado con la llegada de los modernos clústeres de computación de alto rendimiento, lo que ha dado lugar al nuevo campo de la teoría computacional cuántica de muchos cuerpos. Aquí, una herramienta particularmente exitosa es la teoría funcional de la densidad (DFT), que ha brindado conocimientos sin precedentes sobre las propiedades de los materiales. DFT se considera actualmente uno de los métodos de simulación más importantes en física, química y ciencias de los materiales. Es especialmente hábil para describir sistemas de muchos electrones. De hecho, la cantidad de publicaciones científicas basadas en cálculos DFT ha aumentado exponencialmente durante la última década y las empresas han utilizado el método para calcular con éxito las propiedades de los materiales con una precisión nunca antes vista.
Superar una simplificación drástica
Muchas de estas propiedades que se pueden calcular mediante DFT se obtienen en el marco de la teoría de la respuesta lineal. Este concepto también se usa en muchos experimentos en los que se mide la respuesta (lineal) del sistema de interés a una perturbación externa como un láser. De esta forma, se puede diagnosticar el sistema y obtener parámetros esenciales como la densidad o la temperatura. La teoría de la respuesta lineal a menudo hace que el experimento y la teoría sean factibles en primer lugar y es casi omnipresente en la física y disciplinas relacionadas. Sin embargo, no deja de ser una drástica simplificación de los procesos y una fuerte limitación.
En su última publicación, los investigadores están abriendo nuevos caminos al extender el método DFT más allá del régimen lineal simplificado. Por lo tanto, los efectos no lineales en cantidades como las ondas de densidad, el poder de frenado y los factores de estructura se pueden calcular y comparar por primera vez con resultados experimentales de materiales reales.
Antes de esta publicación, estos efectos no lineales solo se reproducían mediante un conjunto de métodos de cálculo elaborados, a saber, simulaciones cuánticas de Monte Carlo. Aunque ofrece resultados exactos, este método se limita a parámetros de sistema restringidos, ya que requiere mucha potencia computacional. Por lo tanto, ha habido una gran necesidad de métodos de simulación más rápidos. «El enfoque DFT que presentamos en nuestro artículo es de 1000 a 10 000 veces más rápido que los cálculos cuánticos de Monte Carlo», dice Zhandos Moldabekov. «Además, pudimos demostrar a través de regímenes de temperatura que van desde condiciones ambientales hasta condiciones extremas, que esto no va en detrimento de la precisión. La metodología basada en DFT de las características de respuesta no lineal de los electrones correlacionados cuánticamente abre la tentadora posibilidad para estudiar nuevos fenómenos no lineales en materiales complejos».
Más oportunidades para los modernos láseres de electrones libres
«Vemos que nuestra nueva metodología se adapta muy bien a las capacidades de las instalaciones experimentales modernas como la línea de luz internacional Helmholtz para campos extremos, que cuenta con la cooperación de HZDR y entró en funcionamiento recientemente», explica Jan Vorberger. «Con láseres de alta potencia y láseres de electrones libres podemos crear exactamente estas excitaciones no lineales que ahora podemos estudiar teóricamente y examinarlas con una resolución espacial y temporal sin precedentes. Las herramientas teóricas y experimentales están listas para estudiar nuevos efectos en la materia en condiciones extremas que han no había sido accesible antes».
«Este documento es un gran ejemplo para ilustrar la dirección a la que se dirige mi grupo recientemente establecido», dice Tobias Dornheim, líder del Grupo de Jóvenes Investigadores «Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory» instalado a principios de 2022. «Hemos estado principalmente activos en la comunidad de física de alta densidad de energía en los últimos años. Ahora, nos dedicamos a empujar las fronteras de la ciencia proporcionando soluciones computacionales a problemas cuánticos de muchos cuerpos en muchos contextos diferentes. Creemos que el avance actual en la teoría de la estructura electrónica será útil para los investigadores en una serie de campos de investigación».
