Fisica: i modelli esistenti limitano l’applicabilità della DFT agli stati fondamentali e non includono gli stati eccitati. Uno studio del Cnr colma questa lacuna
La Density functional theory (DFT, teoria del funzionale della densità) è un approccio computazionale utilizzato in migliaia di articoli scientifici applicativi ogni anno: esso sfrutta il fatto che sia possibile dedurre molto dalla distribuzione degli elettroni in un materiale, e che questa distribuzione, intesa come densità elettronica, è sufficiente per descrivere il comportamento del sistema stesso. Tuttavia, i modelli esistenti limitano l’applicabilità della DFT agli stati fondamentali e non includono gli stati eccitati.
Ora, un team di scienziati dell’Università di Griffith (Australia), della Vrije Universiteit (Paesi Bassi) e dell’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr-Nano) ha trovato un modo per superare questa restrizione.
I ricercatori hanno dimostrato che l’Ensemble DFT (EDFT), un’estensione statistica della DFT, può risolvere problemi di stati eccitati interpolando soluzioni dai casi estremi ma esatti di alta densità elettronica, e di bassa densità elettronica.
Lo studio, condotto da Tim Gould dell’Università di Griffith, Derk P. Kooi della Vrije Universiteit, Paola Gori-Giorgi, precedentemente alla Vrije Universiteit e ora presso Microsoft Research AI4Science, e Stefano Pittalis di Cnr-Nano, è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters e presentato come Editors’ suggestion, e ben riassunto sulla rivista web Physics.
“Questo risultato rappresenta un avanzamento importante nella fisica a molti corpi e nella fisica computazionale: le soluzioni dei problemi di stati eccitati che si pensava fossero non trattabili potrebbero invece diventare presto calcolabili tramite EDFT”, spiega Stefano Pittalis.
“Il risultato più sorprendente è che per densità elettroniche sufficientemente basse, tutte le complicazioni che l’Ensemble DFT presenta per trattare gli stati eccitati praticamente scompaiono”, continua Pittalis, “e i modelli per affrontare gli stati eccitati ritornano ad essere semplici come quelli usati per la DFT regolare. All’estremo opposto, ovvero quando la densità di elettroni è alta, le complicazioni sono state risolte al punto da consentire l’ottenimento di soluzioni esatte”
L’implicazione più immediata del lavoro di Pittalis e colleghi è che le soluzioni EDFT per gli stati eccitati di sistemi reali possono ora essere formulate combinando le informazioni sui casi limite di alta e bassa densità. I ricercatori hanno infatti dimostrato di poter interpolare i casi di bassa e alta densità per approssimare le energie di eccitazione dell’idrogeno molecolare a tutte le lunghezze di legame.
“Il nostro lavoro è di importanza diretta per i modelli di struttura elettronica tradizionali basati su tecniche analitiche. Inoltre, fornisce linee guida per le moderne metodologie basate sul machine learning. Nel complesso potrebbero accelerare lo sviluppo di nuove tecnologie attraverso simulazioni, previsioni, screening e analisi degli stati eccitati nei materiali “, afferma Pittalis.
I prossimi passi a partire dai risultati attuali consistono nello sviluppare soluzioni sufficientemente generali, implementare gli algoritmi corrispondenti in pacchetti software e applicarli a problemi importanti ma ancora irrisolti.
Vedi anche: