Nonadiabatic molecular dynamics simulation with external field
Questo articolo introduce CPA-NAMD-extF, un framework della matrice di densità basato sui primi principi che estende la dinamica molecolare non adiabatica per simulare le risposte elettroniche indotte da campi in sistemi grandi e complessi combinando l'accoppiamento esplicito con il campo esterno con aggiornamenti di densità auto-consistenti, dimostrandone l'accuratezza e l'utilità nell'analizzare correnti ottiche e correnti a vortice in materiali come SiO e perovskiti ibride.
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La luce fa molto più che illuminare il mondo; quando colpisce determinati materiali, può spingere gli elettroni in movimento, creando correnti elettriche senza la necessità di batterie o fili. Questo fenomeno, noto come effetto fotovoltaico, è la base dei pannelli solari, ma gli scienziati stanno anche dando la caccia a una versione più esotica chiamata "corrente di spostamento" (shift current). In questo effetto, la stessa forma della struttura interna del materiale agisce come un cricchetto, spingendo gli elettroni in una direzione specifica quando colpiti dalla luce. Per capire come ciò funzioni, i ricercatori devono tracciare la danza frenetica, di natura meccanico-quantistica, degli elettroni mentre rispondono alla luce, tutto mentre gli atomi a cui sono legati vibrano per il calore. La sfida è stata che simulare questa danza per materiali grandi e complessi è incredibilmente difficile, specialmente quando si cerca di tenere conto del sussulto degli atomi alla temperatura ambiente.
Un team di ricercatori della ShanghaiTech University ha sviluppato un nuovo strumento computazionale per risolvere questo problema, permettendo di osservare il flusso di queste correnti elettroniche in tempo reale all'interno di strutture massicce e complesse. Il loro metodo, una versione raffinata di una tecnica chiamata dinamica molecolare non adiabatica, colma un divario che precedentemente esisteva tra due approcci potenti ma limitati. Un approccio, che traccia gli elettroni che si muovono lungo un percorso pre-calcolato di atomi vibranti, è veloce ma non poteva gestire la spinta di un campo elettrico esterno. L'altro, che simula direttamente l'effetto del campo, è accurato ma diventa incredibilmente lento e costoso per sistemi contenenti centinaia di atomi. Il nuovo metodo combina la velocità del primo con la capacità di gestione del campo del secondo, creando un quadro che può simulare come la luce guidi le correnti in materiali con oltre 500 atomi, una scala che era precedentemente fuori portata per tali calcoli dettagliati guidati dal campo.
I ricercatori hanno testato il loro nuovo strumento su due tipi di materiali molto diversi per dimostrare che funzionava. Per prima cosa, hanno esaminato il biossido di silicio, il componente principale di vetro e quarzo, sia nella sua forma cristallina ordinata che nella sua forma amorfa disordinata. Hanno simulato un blocco di questo materiale contenente 576 atomi, una dimensione che tipicamente richiederebbe giorni di tempo di supercomputer per essere analizzata con i metodi tradizionali. Il loro nuovo approccio ha prodotto i risultati in appena poche ore. Le simulazioni hanno confermato che il vetro disordinato assorbiva la luce diversamente dal cristallo ordinato, mostrando uno spettro di assorbimento più fluido e ampio con una coda distinta a energie inferiori, corrispondendo a quanto osservato dagli sperimentali nel mondo reale. Questo successo ha dimostrato che lo strumento poteva gestire il caos strutturale dei materiali reali pur prevedendo accuratamente come essi interagiscono con la luce.
Il team ha poi rivolto l'attenzione a un materiale più complesso: un perovskite ibrida bidimensionale, un tipo di cristallo composto da parti organiche e inorganiche che viene studiato per l'elettronica di prossima generazione. Questo materiale è interessante perché può passare tra uno stato polare, ferroelettrico, e uno stato non polare, paraelettrico, a seconda della temperatura. I ricercatori hanno simulato il materiale a due temperature: 300 Kelvin, che è appena sotto il punto in cui cambia stato, e 450 Kelvin, che è appena sopra di esso. Hanno scoperto che la capacità del materiale di generare una corrente di spostamento non era una proprietà fissa, ma era profondamente sensibile alle vibrazioni termiche dei suoi atomi. Alla temperatura inferiore, il materiale generava costantemente una corrente in una direzione. Tuttavia, alla temperatura più alta, la corrente fluttuava selvaggiamente, puntando a volte in un senso e a volte nell'altro, mediando infine verso quasi lo zero. Ciò ha rivelato che un'immagine singola e statica della struttura del materiale è insufficiente per prevederne il comportamento; è necessario tenere conto del costante rimescolamento termico degli atomi per capire come il materiale si comporterà in un dispositivo reale.
Scavando più a fondo nelle origini microscopiche di queste correnti, i ricercatori hanno mappato il flusso di elettroni nello spazio reale, visualizzando esattamente dove la corrente si muoveva all'interno del reticolo cristallino. Hanno scoperto un modello sorprendente: la corrente non fluiva in linea retta, ma formava vortici rotanti centrati attorno agli atomi di bromo. Questi minuscoli vortici localizzati di elettricità erano presenti sia nelle fasi ordinate che in quelle disordinate del materiale. Scomponendo i dati della simulazione, hanno risalito la causa di questi vortici a una specifica interazione tra gli orbitali elettronici degli atomi di bromo. Si scopre che gli elettroni si muovono in cerchi a causa di un accoppiamento tra gli gusci elettronici interni sferici dell'atomo e i suoi gusci esterni a forma di manubrio. Questa specifica disposizione orbitale agisce come un motore microscopico, generando le correnti rotanti che erano precedentemente difficili da individuare.
Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensione di un materiale specifico. Fornendo un modo per simulare come la luce guidi le correnti in sistemi grandi, caldi e strutturalmente complessi, questo nuovo metodo apre la porta alla progettazione di migliori materiali per l'energia solare e l'elettronica ultra-rapida. Permette agli scienziati di andare oltre i cristalli idealizzati e perfetti per studiare i materiali così come esistono realmente: oscillanti, disordinati e pieni di rumore termico. I ricercatori hanno dimostrato che queste fluttuazioni termiche non sono solo rumore di fondo da ignorare; sono partecipanti attivi che possono potenziare, sopprimere o persino annullare le stesse correnti che speriamo di sfruttare. Con questo strumento, la strada da seguire consiste nel simulare queste condizioni complesse e reali per trovare materiali che possano generare elettricità dalla luce in modo affidabile, anche mentre i loro atomi danzano con il calore.
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