یک روش معتبر برای تقریب زدن حالتهای پایه سیستم، اکنون توسعه یافته تا حالتهای برانگیخته را هم در خود جای دهد.

شهرت و کارایی نظریه تابعی چگالی (DFT)، مدیون بینش محوری آن است که اثر یک پتانسیل بر سیستمی از الکترونهای در حال برهم کنش می تواند بر حسب چگالی الکترونها بیان شود. مدل های فعلی، DFT را به حالتهای پایه محدود کرده و حالتهای برانگیخته را در نظر نمی گیرند. اما اکنون تیم گولد Tim Gould از دانشگاه گریفیث استرالیا و همکارانش روشی برای غلبه بر این محدودیت پیدا کرده اند[1].

در قلب DFT، مدل های تبادلی-همبستگی هستند که بررسی رفتار الکترونها را با استفاده از موارد محدود کننده معین، ساده سازی می کنند. این ساده سازی به DFT اجازه می دهد تا حالتهای پایه سیستم های الکترونی بزرگ را شبیه سازی کند. یک تعمیم از این نظریه، با نام DFT آنسامبل، قادر است با حالتهای برانگیخته سازگار شود. اما مدلهای تبادلی-همبستگیِ پیچیده تر این تئوری، سیستم های بزرگ را از نظر محاسباتی غیر قابل حل می سازند. گولد و همکارانش کشف کردند که وقتی چگالی الکترون به اندازه کافی پایین باشد، این پیچیدگی ها از بین می روند و مدلهای لازم برای پرداختن به حالتهای برانگیخته به سادگی به همانهایی تبدیل می شوند که در نظریه تابعی چگالی معمولی استفاده می شود. بنابراین، نظریه تابعی چگالی معمولی کفایت می کند. در سوی دیگر، وقتی چگالی الکترون بالا باشد، پیچیدگی ها تا نقطه ای ساده سازی می شوند که پاسخ های دقیق را بتوان به دست آورد.

چرا این دو مورد حدی، قابل ساده سازی هستند؟ گولد خاطر نشان می کند که الکترونها در چگالی پایین یکدیگر را تا بیشترین حد نادیده می گیرند. اگرچه آنها شخصیت کوانتومی خود را حفظ می کنند، اما می توانند مانند ذرات کلاسیک در نظر گرفته شوند. در چگالی بالا، الکترونها یک حالت کوانتومی را اشغال می کنند که ویژگی های آن به آسانی قابل محاسبه است.

مولکولها و مواد واقعی، حالت میانی بین دو این حد نهایی را اشغال می کنند. گولد و همکارانش نشان دادند که می توان با ترکیب حالتهای چگالی پایین و بالا، انرژی های برانگیختگی هیدروژن مولکولی را در همه طول پیوندها تقریب زد. این پژوهشگران مشتاقانه منتظرند تا روش خود را برای LEDها، کاتالیست ها و دیگر مواد مهم فناورانه به کار گیرند.

منبع:

Density-Functional Models Get Excited

ترجمه خبر: بهناز ساربانها