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Gli elettroni fortemente interagenti aprono nuove strade

Il successo della teoria del funzionale della densità (DFT) nel descrivere i fenomeni più svariati in fisica della materia condensata è indiscutibile. I recenti sviluppi portano ora la teoria proposta per la superconduttività a un pubblico molto più ampio.
Gli elettroni fortemente interagenti aprono nuove strade
Il teorema originale Hohenberg e Kohn e la riproducibilità della densità esatta elettronica in un sistema di Kohn-Sham (KS) di particelle non interagenti può estendere, in linea di principio, qualsiasi struttura elettronica – compresi i superconduttori. Tuttavia, l’applicazione pratica della KS-DFT dipende dai funzionali di densità per gli osservabili rilevanti del sistema.

In particolare, i funzionali scambio-correlazione permettono l’incorporazione degli effetti delle interazioni senza aumentare il costo computazionale. I funzionali disponibili sono centinaia, ma nessuno ha successo se applicato a sistemi fortemente correlati. Alcuni scienziati finanziati dall’UE hanno esplorato un approccio diverso per descrivere con precisione gli effetti di una forte correlazione.

Nell’ambito del progetto SCDFT (Strictly-correlated density functional theory: Methodology development and application to semiconductor nanostructures and ultracold atom gases), gli scienziati hanno sviluppato il concetto di elettroni strettamente correlati (strictly correlated electron, SCE) per modellare il limite delle interazioni infinitamente forti. Invece di non avere alcuna interazione come proposto da Kohn e Sham, il sistema è costituito da particelle con la massima interazione possibile.

In particolare, nel cosiddetto approccio KS-SCE DFT, il funzionale scambio-correlazione è costruito sulla base del sistema SCE e comprende forti effetti di interazione. Vengono inoltre risolte le equazioni standard e numericamente economiche della KS-DFT.

Prima della fine del progetto SCDFT, la nuova metodologia è stata applicata con successo a nanostrutture di semiconduttori così come ai gas atomici ultrafreddi e a un sistema chimico 1D fatto di ioni e molecole. È importante sottolineare che i fenomeni quantistici fondamentali sono stati riprodotti per numeri di particelle più grandi di quelli accessibili con altri metodi.

Tutti i risultati di questi studi sono stati pubblicati in riviste ad alto impatto come Physical Review Letters, Physical Review B e Physical Chemistry Chemical Physics.

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Keywords

Teoria del funzionale della densità, fisica della materia condensata, superconduttività, SCDFT, gas atomici ultrafreddi