牛津大学的一组研究人员最近推出了一种新的极化子模型，这是一种物质学家通常使用的准粒子，用于理解固体材料中电子和原子之间的相互作用。他们的方法在物理评论快报上发表的论文中提出，它将理论建模与计算模拟相结合，能够在各种材料中深入观察这些准粒子。
基本上，极化子是由被声子云包围的电子(即晶格振动)组成的复合粒子。这种准粒子比电子本身重，并且由于它的重量很大，它有时会被困在晶格中。
极化子为电流提供动力，为几种技术工具提供动力，包括有机发光二极管和触摸屏。因此，了解它们的特性至关重要，因为它有助于开发下一代照明和光电子设备。
“以前关于极化子的研究依赖于理想化的数学模型，”进行这项研究的团队负责人Feliciano Giustino教授告诉Phys.org。“这些模型对于理解极化子的基本性质非常有用，但它们没有考虑原子尺度的材料结构，因此当我们尝试研究真实材料用于实际应用时，它们还不够。我们的想法是开发一种能够以预测精度对极化子进行系统研究的计算方法。“
Giustino团队设计的方法基于密度泛函理论，该理论目前是使用量子力学进行预测材料建模和设计的最流行的工具。基于该理论研究极化子时遇到的主要挑战之一是所需的计算资源(CPU小时)与要模拟的原子数的三次方成正比。换句话说，如果正在研究每个晶胞具有10和20个原子的两个晶体，研究第二个晶体所需的计算将比第一个晶体所需的计算耗时8倍。
由于许多极化子的尺寸为1-2纳米，因此研究这些系统的计算需要具有至少3,000-5,000个原子的模拟单元。然而，当前的计算能力将难以维持这样的模拟，并且即使在使用现代超级计算机时，调查这些系统所需的许多计算中的每一个都需要数周。
Giustino团队设计的方法可用于描述大型和小型极化子。例如，在他们的研究中，研究人员展示了它如何用于计算LiF和Li 2 O 2化合物中波函数，形成能和极化子的光谱分解。使用他们的模拟方法，他们发现电池中使用的简单盐和金属氧化物中的极化子具有比本领域先前工作所建议的更丰富的内部结构。
“例如，在原型盐氟化锂中，人们以前认为极化子来自于电子和长晶光学声子之间的相互作用，即晶体振动是造成晶体介电响应的原因，”Sio解释道。“我们发现这些不是唯一涉及的声子，电子和压电声子之间的相互作用(即负责压电的振动)也很重要。”
Giustino团队收集的观察结果改变了目前对盐锂四极中极化子的看法，这是一个非常简单的系统。将他们的方法应用于更复杂的系统可以揭示更丰富的结构，最终增强我们目前对其属性的理解，并为具有定制偏振特性的新材料的开发提供信息。在未来的研究中，研究人员计划使用他们的方法研究其他材料，以进一步评估其预测能力，并更好地了解其他技术上重要的材料。
“进一步研究极地能做什么是非常重要的：现在我们知道我们可以计算极化子的最低能量配置，但我们不知道如果这个极化子受到静电或磁场或电磁辐射，“朱斯蒂诺说。“此外，与实验小组的密切互动对于将这些研究结果转化为应用至关重要。”