FunTheMaS: Fundamental Theoretical Materials Science

Basque Government and UPV/EHU

Status: ongoing project
Contract Number:
IT1249-19

Aunque las leyes fundamentales que rigen las propiedades físicas y químicas de los átomos, las moléculas y los sólidos son conocidas desde el advenimiento de la mecánica cuántica, en general las ecuaciones resultantes son demasiado complicadas para ser resueltas. La teoría funcional de la densidad (DFT) es una forma ingeniosa de reformular el problema de muchos electrones de tal manera que el problema sea manejable en la práctica, pero al precio de introducir aproximaciones. Hoy en día, DFT es, con mucho, el marco más utilizado para la descripción ab-intio de materiales tanto en equilibrio como fuera de equilibrio en su encarnación dependiente del tiempo (TDDFT). Nuestra investigación hace uso de ambos marcos (TD) DFT para una descripción atomística de materiales (en particular materiales de baja dimensión como nanoclusters o sistemas bidimensionales), pero también tiene como objetivo desarrollar herramientas para abordar los problemas fundamentales abiertos en DFT. Uno de estos problemas, la descripción de sistemas fuertemente correlacionados, se abordarán en el contexto de transporte (carga, espín y calor) a través de tales sistemas. Esto se puede hacer combinando métodos DFT basados en el formalismo de Landauer con técnicas precisas de muchos cuerpos, como la Teoría dinámica del campo medio (DMFT). Alternativamente, investigaremos más a fondo las posibilidades de una DFT de estado estacionario recientemente propuesta que ha mostrado algunos éxitos prometedores para los sistemas modelo. En el contexto del transporte de espín, la conversión carga-espín en las interfaces metal-superconductor se tratará combinando DFT con la teoría cinética cuasi-clásica. Una línea de investigación final es el desarrollo posterior de QED-DFT, un marco para describir la interacción de electrones con campos electromagnéticos cuantificados (fotones) relevantes para describir experimentos recientes en el campo de la cavidad o circuito QED.

--------------------------------------------------
Although the fundamental laws governing the physical and chemical properties of atoms, molecules, and solids are known since the advent of quantum mechanics, in general the resulting equations are too complicated to be solved. Density functional theory (DFT) is an ingenious way of reformulating the many-electron problem in such a way as to make the problem tractable in practice but at the prize of introducing approximations. Today DFT is by far the most widely used framework for the ab-intio description of materials both in equilubrium but also out of equilibrium in its time-dependent incarnation (TDDFT). Our research both makes use of (TD)DFT for an atomistic description of materials (in particular low-dimensional materials such as nanoclusters or two dimensional systems), but also aims to develop tools to address fundmaental open problems DFT. One of these problems, the known problems of DFT to describe strongly correlated systems, will be addressed here in the context of transport (charge, spin, and heat) through such systems. This can be done by combining DFT methods based on the Landauer formalism with accurate many-body techniques such as Dynamical Mean Field Theory (DMFT). Alternatively, we will further investigate the possibilities of a recently proposed steady-state DFT which has shown some promising successes for model systems. In the context of spin transport, the spin-charge conversion at metal-superconductor interfaces will be addressed by combining DFT with quasi-classical kinetic theory. A final research line is the further development of QED-DFT, a framework to describe the interaction of electrons with quantized electromagnetic fields (photons) relevant to describe recent experiments in the field of cavity or circuit QED.

Objectives

El presente proyecto tiene como objetivo la descripción de la materia (átomos, moléculas, sólidos) a nivel ab-initio, es decir, utilizando únicamente las leyes de la mecánica cuántica, tanto dentro como fuera del equilibrio térmico. En general, la descripción de muchas partículas interactuantes (en nuestro caso mayormente, pero no solo electrones) es un problema desafiante incluso para sistemas modelo muy simplificados. Una de las teorías más exitosas para describir materiales ab initio es la teoría funcional de la densidad (DFT) tanto en sus versiones estáticas como en las dependientes del tiempo (TDDFT). El Grupo Nanobio Spectroscopy tiene una larga trayectoria tanto de desarrollo de (TD) DFT (y otros métodos de muchos cuerpos), como de aplicaciones para una descripción atomística de los materiales. Esta línea de investigación se continuará en el presente proyecto con un énfasis particular en los materiales 2D emergentes relevantes para aplicaciones tecnológicas. A nivel teórico, tanto DFT como TDDFT por supuesto no proporcionan una solución exacta al problema de muchos cuerpos ya que requieren aproximaciones en la práctica. Se sabe que las aproximaciones actuales fallan en la descripción de, por ejemplo, materiales fuertemente correlacionados. Esto es cierto ya en equilibrio térmico pero aún más fuera de equilibrio donde se estudia la respuesta del sistema a perturbaciones externas tales como, por ejemplo, campos láser o un voltaje externo. En el presente proyecto, el problema de los sistemas fuertemente correlacionados será abordado tanto con métodos de muchos cuerpos como "Dynamical Mean Field Theory" (DMFT), como con DFT. A largo plazo, apuntamos a una descripción ab-initio completa de materiales fuertemente correlacionados con un énfasis particular en el transporte de carga electrónica y térmico a través de dichos sistemas. Sin embargo, antes de que se pueda lograr un marco DFT para correlaciones fuertes, se requieren más estudios sobre sistemas modelo. Además de su carga, los electrones poseen otra propiedad mecánica intrínsecamente cuántica: el espín, una cantidad fundamental en los sistemas magnéticos. El transporte de espín, así como el modelado ab-initio de la conversión de espín a carga en las interfaces entre las nanoestructuras metálicas y superconductoras en un marco DFT será el tema de una de las líneas de investigación. De particular interés en el presente proyecto es también la interacción de sistemas de muchos electrones con estímulos externos como la luz láser. Tradicionalmente, en la descripción de la interacción luz-materia, la luz se trata como un campo electromagnético clásico que interactúa con los electrones descritos a nivel cuántico. Esto, sin embargo, desatiende la naturaleza cuantificada de la luz (descrita en términos de "fotones"). Aquí se formulará un marco teórico para la descripción cuántica ab-initio de la luz y la materia uniendo conceptos de electrodinámica cuántica (QED) y TDDFT, por lo tanto, QED-DFT. Esto es relevante para describir sistemas en cavidades resonantes (cavidad- o circuito- QED) que ahora se estudian cada vez más experimentalmente y que permitirán el control del estado físico o químico de las moléculas a través de manipulaciones del estado del campo fotónico.

Personal

Investigador principal: Stefan Kurth/Angel Rubio
David Jacob
Roberto D'Agosta
Ilya Tokatly
Irina Lebedeva
Andrea Droghetti
Ask Hjorth Larsen
Juan Borge
Adriel Dominguez
Carlos de Armas
Sebastian Bergeret

Related Research Areas