Neue Berechnungsmethoden für das Elektronenverhalten
Globale Hybride sind typische Beispiele für XC-Funktionale, die den genauen Austausch nutzen, und gehören zu den am häufigsten eingesetzten Dichtefunktionalen in der Quantenchemie. Trotz ihres Erfolgs sind sie nicht in der Lage, die genaue Austauschenergie in Regionen mit null oder vernachlässigbarer Korrelation reproduzieren. Dazu gehören der Kern, die Dichte-Tail und die Ein-Elektronen-Regionen. Die Erstellung von XC-Funktionalen ohne empirische Einpassung ihrer Parameter war bisher ein großes Problem. Im Rahmen des Projektes CFMLHA (Development of modern density functional methods: Combining the correlation factor model and the local hybrid approach) kompensierten Wissenschaftler das Fehlen solcher Funktionalen durch die erfolgreiche Entwicklung neuer nicht-empirischer XC-Funktionalen, die bessere Alternativen zu globalen Hybriden darstellen. Der Schwerpunkt lag auf dem Korrelationsfaktormodell, das bisher wenig Aufmerksamkeit erhalten hatte. Um die Funktionale daraus zu entwickeln, präsentierte das Team neue Formeln für das XC-Loch, die als Produkt von zwei Faktoren geschrieben werden: dem Austausch-Loch und dem Korrelationsfaktor. Das XC-Loch ist ein Bereich des Raums um ein Elektron, wo die Wahrscheinlichkeit, ein weiteres Elektron anzutreffen, nahe Null ist. Um die Komplexität zu reduzieren, wurde das Korrelationsfaktormodell auf ein Modell-Austauschloch aufgebaut, das die genaue Austauschenergie pro Elektron reproduziert. Das Modell-Austauschloch wurde dann mit einem Korrelationsfaktor bestehend aus fünf Parametern multipliziert. Das Team entwickelte vier Korrelationsfaktormodelle. XC-Modell und Korrelationsfaktor wurden dann in Mathematica und einer modifizierten Version von Gaussian, einer im Handel erhältlichen Suite von Quantenchemieprogrammen, implementiert. Die Leistung aller Korrelationsfaktormodelle wurde im Vergleich zu häufig verwendeten Funktionalen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Korrelationsfaktoransatz flexibel genug ist, um genaue Austauschfunktionalen ohne die parallele Entwicklung von lokalen Hybriden zu konstruieren. CFMLHA zeigte neue Wege, um aus ersten Grundsätzen XC-Funktionale auf der Grundlage von exaktem Austausch zu konstruieren. Die Konstruktion nach ersten Grundsätzen ist von entscheidender Bedeutung bei der Dichtefunktionaltheorie - eine Methode, die die Computerchemie revolutioniert hat. Die Projektergebnisse haben wichtige Auswirkungen in den unterschiedlichsten Bereichen wie Biochemie oder medizinische Chemie, Physik, Pharmakologie, Materialwissenschaften und Katalyse.