Une équipe de chercheurs de l'Université d'Oxford a récemment introduit une nouvelle façon de modéliser les polarons, une quasiparticule généralement utilisée par les physiciens pour comprendre les interactions entre les électrons et les atomes dans les matériaux solides. Leur méthode, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , combine la modélisation théorique avec des simulations informatiques, permettant des observations approfondies de ces quasiparticules dans une large gamme de matériaux.

Essentiellement, un polaron est une particule composite constituée d'un électron entouré d'un nuage de phonons (c'est-à-dire des vibrations du réseau). Cette quasiparticule est plus lourde que l'électron lui-même et en raison de son poids important, elle peut parfois se retrouver piégée dans un réseau cristallin.

Les polarons contribuent au courant électrique qui alimente plusieurs outils technologiques, y compris les diodes électroluminescentes organiques et les écrans tactiles. La compréhension de leurs propriétés est donc primordiale, car cela pourrait aider à développer la prochaine génération de divers dispositifs pour l'éclairage et l'optoélectronique.

"Les travaux antérieurs sur les polarons reposaient sur des modèles mathématiques idéalisés, " Pr Feliciano Giustino, le chef de l'équipe qui a réalisé l'étude, dit Phys.org. "Ces modèles ont été très utiles pour comprendre les propriétés de base des polarons, mais ils ne prennent pas en compte la structure des matériaux à l'échelle atomique, par conséquent, ils ne sont pas suffisants lorsque nous essayons d'étudier des matériaux réels pour des applications pratiques. Notre idée était de développer une méthodologie de calcul qui permettrait des investigations systématiques des polarons avec une précision prédictive."

La méthode mise au point par l'équipe de Giustino est basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, qui est actuellement l'outil le plus populaire pour la modélisation et la conception prédictives des matériaux à l'aide de la mécanique quantique. L'un des principaux défis rencontrés lors de l'étude des polarons basés sur cette théorie est que les ressources de calcul requises (heures CPU) sont proportionnelles à la puissance tiers du nombre d'atomes à simuler. En d'autres termes, si l'on étudiait deux cristaux à 10 et 20 atomes par maille, le calcul nécessaire à l'étude du deuxième cristal serait 8 fois plus long que celui nécessaire au premier.

Comme de nombreux polarons ont une taille de 1 à 2 nanomètres, les calculs pour l'étude de ces systèmes nécessiteraient des cellules de simulation avec au moins 3, 000-5, 000 atomes. Pourtant, les capacités de calcul actuelles auraient du mal à soutenir de telles simulations et chacun des nombreux calculs nécessaires pour étudier ces systèmes prendrait des semaines, même en utilisant un supercalculateur moderne.

"Notre idée était d'essayer de rendre ce processus plus efficace en tirant parti des progrès de la théorie des perturbations dite fonctionnelle de la densité, " Weng Hong Sio, le premier auteur de l'ouvrage, expliqué. « Sans entrer dans les détails, nous avons pu refondre le problème consistant à effectuer un calcul d'un polaron dans une grande cellule de simulation en un problème plus simple consistant à effectuer plusieurs calculs dans la plus petite cellule unitaire du cristal. Cette stratégie a ouvert de nouvelles possibilités qui étaient auparavant inaccessibles."

L'approche conçue par l'équipe de Giustino peut être utilisée pour décrire à la fois de grands et de petits polarons. Dans leur étude, par exemple, les chercheurs ont montré comment il peut être utilisé pour calculer les fonctions d'onde, énergies de formation et décomposition spectrale des polarons dans LiF et Li 2 O 2 composés. En utilisant leur méthode de simulation, ils ont découvert que les polarons dans les sels simples et les oxydes métalliques utilisés dans les batteries ont une structure interne beaucoup plus riche que celle suggérée par les travaux précédents dans le domaine.

"Par exemple, dans le sel prototype de fluorure de lithium, on pensait auparavant que le polaron résulte de l'interaction entre un électron et des phonons optiques longitudinaux, c'est-à-dire les vibrations du réseau qui sont responsables de la réponse diélectrique du cristal, " expliqua Sio. " Nous avons constaté que ce ne sont pas les seuls phonons impliqués, et que l'interaction entre l'électron et les phonons piézoacoustiques (c'est-à-dire les vibrations responsables de la piézoélectricité) est également importante."

Les observations recueillies par l'équipe de Giustino changent la perspective actuelle sur les polarons dans le sel de fourure de lithium, qui est un système très simple. L'application de leur méthode à des systèmes plus complexes pourrait dévoiler des structures encore plus riches, en fin de compte améliorant notre compréhension actuelle de leurs propriétés et informant le développement de nouveaux matériaux avec des propriétés polatroniques adaptées. Dans leurs futures recherches, les chercheurs prévoient d'utiliser leur méthode pour étudier d'autres matériaux, afin d'évaluer davantage son pouvoir prédictif et de mieux comprendre d'autres matériaux technologiquement importants.

"Plus loin, il sera important d'étudier ce qu'un polaron peut faire :pour l'instant, nous savons que nous pouvons calculer la configuration d'énergie la plus basse d'un polaron, mais nous n'avons aucune idée de ce qui se passe si ce polaron est soumis à des champs électriques ou magnétiques statiques ou à un rayonnement électromagnétique, " dit Giustino. " De plus, des interactions étroites avec des groupes expérimentaux seront essentielles pour traduire ces résultats en applications. »

© 2019 Réseau Science X