FUN-EMAT: Desarrollos fundamentales para la simulación y caracterización de procesos dinámicos fuera del equilibrio

MEC y MICINN

Status: ongoing project
Contract Number:
FIS2013-46159-C3-1-P
Starting date 
1 January 2014
Ending date 
31 December 2016

En este proyecto desarrollaremos conceptos nuevos para la construcción de un marco teórico capaz de entender,identificar, y cuantificar las diversas contribuciones a los procesos foto-inducidos en la materia a nivel microscópico (captación de energía, dinámica sobre estados excitados, transferencia de carga, etc.), y capaz de resolver en tiempo y espacio las espectroscopias de dispositivos nanoestructurados. Algunos de estos aspectos también se estudiarán experimentalmente en profundidad usando técnicas de microscopía avanzadas para investigarlos en la escala atómica o local.La comprensión de la materia fuera del equilibrio es un gran reto para la ciencia y la ingeniería. El tratamiento preciso, y la comprensión detallada de la dinámica cuántica en sistemas abiertos (por ejemplo, la evolución fuera del equilibrio de un sistema inmerso en un entorno nanoestructurado complejo), es crucial para determinar las propiedades y la funcionalidad de dispositivos de escala nanométrica, o materiales nanoestructurados en general.
No existe actualmente ningún modelo detallado, eficiente y preciso que describa, desde primeros principios y a escala microscópica, la dinámica de la decoherencia y la disipación en sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Intentaremos rellenar este hueco. Combinaremos las teorías de sistemas cuánticos abiertos (OQS), procesos de no equilibrio, teoría de control óptimo cuántico (QOCT), y estructura electrónica (desde primeros principios, en concreto mediante la teoría del funcional de la densidad dependiente del tiempo, TDDFT), para poder atacar las aplicaciones mencionadas, y en general para atacar dos retos científicos principales: i) caracterizar la materia fuera del equilibrio, y ii) controlar los procesos en la materia a nivel electrónico, para poder optimizar las propiedades de los materiales. El proyecto incluye objetivos teóricos, metodológicos, y aplicados:
•Teoría: Proponemos un metodología nueva que combina la OQS y la QOCT en el marco de la TDDFT, creando de esta manera "la herramienta de referencia de modelado desde primeros principios para la dinámica de no equilibrio".
Abordaremos aspectos fundamentales sobre la interacción electrón-núcleo o, más generalmente, la interacción entre partículas clásicas y cuánticas (temas tales como la mecánica estadística de sistema híbridos clásico-cuánticos, la pureza y la decoherencia en tales sistemas, el modelo de Ehrenfest estocástico, etc.). El uso de modelos clásico-
cuánticos es una necesidad implícita para muchas de las aplicaciones.
•Método: Las nuevas herramientas numéricas serán implementadas en el código OCTOPUS, y se ofrecerán libremente a la comunidad científica involucrada en los desarrollos tendientes a la computación de altas prestaciones en el rango de los peta/exa-FLOPs.
•Aplicaciones: Combinaremos métodos experimentales (usando las técnicas e instrumentos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) más avanzados) y teóricos (aplicando los métodos y algoritmos mencionados) para responder preguntas fundamentales, y para ayudar en el diseño de materiales con funcionalidades dadas. En particular, este proyecto apunta a avanzar significativamente en el conocimiento de la estructura y configuración atómica, así como las propiedades optoelectrónicas de nanomateriales heteroatómicos en 1D o 2D, otro tipo de nanoestructuras funcionalizadas, óxidos correlacionados, y materiales de interés fotovoltaico. Tales aplicaciones son ambiciosas pero realizables.

Objectives

Objetivos teóricos/metodológicos (fundamentales F):
Objetivo F1: Estudio de funcionales de intercambio-correlación en TDDFT
Objetivo F2: Desarrollo de una TDDFT con escala compleja
Objetivo F3: Efectos no adiabáticos en la respuesta lineal y no lineal de moléculas sencillas y nanoestructuras
Objetivo F4: Unificación de los avances conseguidos en TDDFT y TDCDFT
Objetivo F5: Estudio de las limitaciones en la aplicabilidad de cálculos MBPT en sistemas correlacionados
Objetivo F6. Mecánica estadística de sistemas híbridos clásico-cuánticos en equilibrio
Objetivo F7. Dinámica de Ehrenfest para sistemas estadísticos: coherencia y pureza
Objetivo F8. Dinámica estocástica para sistemas híbridos clásico-cuánticos: la ecuación de Ehrenfest abierta
Objetivo F9. Control de sistemas clásico-cuánticos fuera del equilibrio con campos electromagnéticos
Objetivos Aplicados (A): Aplicaciones Prácticas en Nanoestructuras
A1: Dispositivos optoelectrónicos basados en estructuras "donor-aceptor" orgánicas/inorgánicas y moléculas orgánicas
A2: Estudio de sistemas biológicos. Simulación de primeros principios de los primeros pasos de la fotosíntesis
A3: Estudios estructurales de nanoestructuras heteroatómicas BxCyNz y nanomateriales funcionalizados
A4: Propiedades optoelectrónicas y vibracionales de sistemas de una y dos dimensiones

Personal

Grupo de San Sebastián (Subproyecto FUN-EMAT)
Angel Rubio Secades
Ilya Tokatly
Seymur Cahangirov
David Cardamone
Pierluigi Cudazzo
Umberto De Giovannini
Irina Lebedeva
Ask Hjorth Larsen
Duncan John Mowbray
Alejandro Pérez Paz
Marius Wanko.
Camilla Pellegrini
Alison Crawford Uranga
Mehdi Farzanehpour
Livia Noemi Glanzmann
Martin Madel
Alejandro Javier Varas Barboza
Jessica Walkenhorst
Heiko Appel
Johannes Flick
René Jestädt
Juan María García Lastra
Matteo Gatti
Grupo de Zaragoza (Subproyecto FUN-EMAT-ZTEO)
Alberto Castro Barrigón
Pablo Echenique-Robba
José Luis Alonso Buj
Jesús Clemente-Gallardo
Juan Carlos Cuchí Oterino
Jorge Budagosky Macilla
Jorge Jover-Galtier
Grupo de Zaragoza (Subproyecto FUN-EMAT-ZEXP)
Raul Arenal
Rodrigo Fernandez-Pacheco
Rongrong Wang

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