稳定极化子开辟了新的物理学

EPFL 的物理学家已经开发出一种公式来解决在研究极化子(由材料中的电子-声子相互作用产生的准粒子)时长期存在的电子自相互作用问题。这项工作可以导致对大型系统中的极化子进行前所未有的计算，对大量材料进行系统研究，以及在很长一段时间内发展分子动力学。

量子力学的许多特点之一是粒子也可以描述为波。一个常见的例子是光子，即与光相关的粒子。

在称为晶体的有序结构中，电子可以被视为并描述为遍布整个系统的波——这是一幅相当和谐的画面。当电子在晶体中移动时，离子——带负电荷或正电荷的原子——在空间中周期性排列。

现在，如果我们要在晶体中添加一个额外的电子，它的负电荷会使它周围的离子远离它们的平衡位置。电子电荷将在空间中定位并耦合到晶体周围的结构——“晶格”——扭曲，从而产生一种称为极化子的新粒子。

EPFL 基础科学学院的 Stefano Falletta 说：“从技术上讲，极化子是一种准粒子，由一个被其自感声子‘包裹’的电子组成，这些声子代表了晶体的量子化振动。” “极化子的稳定性源于两种能量贡献之间的竞争：电荷局部化带来的增益，以及晶格畸变带来的成本。当极化子不稳定时，额外的电子在整个系统中离域，而离子则恢复其平衡位置。”

他们与 EPFL 的 Alfredo Pasquarello 教授合作，在物理评论快报和物理评论 B上发表了两篇论文，描述了一种解决物理学家用来研究材料中电子相互作用的成熟理论的主要缺陷的新方法。该方法称为密度泛函理论或 DFT，用于物理学、化学和材料科学中，以研究原子和分子等多体系统的电子结构。

通过简化电子相互作用的处理，DFT 是执行材料从头算计算的强大工具。然而，DFT 容易受到电子与其自身的虚假相互作用的影响——物理学家称之为“自相互作用问题”。这种自相互作用是 DFT 的最大限制之一，经常导致对极化子的错误描述，而极化子往往不稳定。

“在我们的工作中，我们引入了一种电子自相互作用的理论公式，它解决了密度泛函理论中极化子定位的问题，”法莱塔说。“这使得在计算效率高的方案中获得准确的极化子稳定性。我们的研究为在大型系统、涉及大量材料的系统研究或长时间演化 的分子动力学中前所未有的极化子计算铺平了道路。”