Die Hauptidee der Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist, dass die Wirkung eines Potentials auf ein System wechselwirkender Elektronen durch die Elektronendichte beschrieben werden kann. Die DFT ist in aktuellen Modellen auf Grundzustände beschränkt, angeregte Zustände sind nicht enthalten. Tim Gould von der Griffith University in Australien und sein Team haben jedoch endlich einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen.
Untersuchung des Verhaltens von Elektronen
Den Kern der DFT bilden Austauschkorrelationsmodelle, die das Verhalten von Elektronen durch Nutzung bestimmter Grenzzustände vereinfachen. Dank dieser Vereinfachung kann die DFT die Grundzustände großer elektronischer Systeme modellieren. Interessante Fälle können mit einer Version der Theorie behandelt werden, die als Ensemble-DFT bekannt ist, aber größere Systeme sind aufgrund der komplexeren Variations-Korrelations-Modelle dieser Theorie rechnerisch herausfordernd. Als die Elektronendichte niedrig genug war, stellten Gould und Kollegen fest, dass diese Schwierigkeiten verschwanden und ihr Modell für den Umgang mit angeregten Zuständen so einfach wurde wie das für gewöhnliche DFT. Dann ist Standard-DFT ausreichend. Wenn die Elektronendichte andererseits hoch ist, werden die Schwierigkeiten stark vereinfacht und es sind exakte Lösungen möglich.
Quantenzustände von Elektronen
Warum ist eine Vereinfachung in zwei Grenzfällen möglich? Laut Gould vermeiden Elektronen bei niedrigen Dichten einander aktiv. Man kann sie sich als klassische Teilchen vorstellen, obwohl sie immer noch Quantennatur haben. Bei hoher Dichte befinden sich die Elektronen in einem Quantenzustand mit leicht berechenbaren Eigenschaften.
Der Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen wird von realen Molekülen und Materialien eingenommen. Durch die Kombination von Proben mit niedriger und hoher Dichte konnten Gould und Kollegen die Anregungsenergien von molekularem Wasserstoff bei allen Bindungslängen annähern. Forscher möchten diese Strategie gerne auf Katalysatoren, LEDs und andere wichtige technologische Materialien anwenden.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/s29
Günceleme: 10/03/2023 13:32