Stark interagierende Elektronen bahnen den Weg
Das ursprüngliche Theorem von Hohenberg und Kohn und die Reproduzierbarkeit der exakten elektronischen Dichte in einem Kohn-Sham (KS)-System nicht interagierender Teilchen kann prinzipiell auf jede elektronische Struktur erweitert werden – dies gilt auch für Supraleiter. Die praktische Anwendbarkeit der KS-DFT hängt allerdings von den Dichtefunktionalen der relevanten Messgrößen des Systems ab. Insbesondere Austausch-Korrelation-Funktionalen ermöglichen eine Integrierung von Wechselwirkungen ohne einen Anstieg der Berechnungskosten. Hunderte von Funktionalen sind verfügbar, diese können jedoch nicht auf stark korrelierte Systeme angewandt werden. EU-finanzierte Wissenschaftler erforschten einen anderen Ansatz für eine genaue Beschreibung stark korrelierender Wirkungen. Im Rahmen des Projekts SCDFT (Strictly-correlated density functional theory: Methodology development and application to semiconductor nanostructures and ultracold atom gases) entwickelten Wissenschaftler zur Modellierung der Grenze unendlich starker Interaktionen ein Konzept für streng korrelierende Elektronen (strictly correlated electrons, SCEs). Anstelle keiner Interaktionen gemäß dem Vorschlag von Kohn und Sham, besteht das System aus Teilchen mit größtmöglicher Wechselwirkung. Insbesondere bei dem sogenannten KS-SCE DFT-Ansatz wird die Austausch-Korrelation-Funktionale auf Grundlage des SCE-Systems bei starker Wechselwirkung erstellt. Außerdem wurden die Standard- und numerisch günstigen KS-DFT-Gleichungen gelöst. Vor dem Ende von SCDFT wurde die neue Methodologie erfolgreich auf Halbleiter-Nanostrukturen sowie auf ultrakalte atomische Gase und ein chemisches 1D-System bestehend aus Ionen und Molekülen angewandt. Bedeutsamer Weise wurden wichtige Quantenphänomene für Teilchenzahlen reproduziert, die größer waren als diejenigen, die mit anderen Methoden möglich sind. Alle Erkenntnisse dieser Studie sind in den renommierten Fachzeitschriften Physical Review Letters, Physical Review B und Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht worden.
Schlüsselbegriffe
Dichtefunktionaltheorie, Festkörperphysik, Supraleitfähigkeit, SCDFT, ultrakalte atomische Gase
