Grupos consolidados: Simulación de sistemas cuánticos nanostructurados fuera del equilibrio:

Basque Government and UPV/EHU

Status: ongoing project
Contract Number:
IT578-13
Starting date 
1 January 2013
Ending date 
31 December 2018

El célebre lema de “Más es diferente”, establecido por el premio nobel Philip W. Anderson, alude a la necesidad de emplear nuevos métodos y herramientas de estudio a medida que la escala y complejidad de lo estudiado aumenta. Los objetivos del presente proyecto se basan en la idea, contrapuesta a la anterior, de que “Lo pequeño es diferente”. Así nos centráremos en aquellas propiedades que dependen de fenómenos cuya escala espacio-temporal está gobernada directamente por la naturaleza cuántica del material. El proyecto empleará y desarrollará modelos teóricos innovadores que permitirán avances significativos en tres áreas de vanguardia:
1.Caracterización de la materia fuera del equilibrio.
2.Control de procesos en materiales a nivel electrónico, pudiendo así mejorar las distintas funcionalidades de los materiales.
3.Conocimiento profundo de los procesos de transferencia de energía e información a escala nanométrica, para ser capaces de proponer dispositivos capaces de competir con la materia viva (en otras palabras, diseñar dispositivos biomiméticos).
Comprender los procesos fundamentales que usan las plantas para convertir luz en energía es una manera de asegurarse una producción de energía limpia y barata en el futuro. Estos problemas serán abordados, independientemente del sistema a estudiar, dentro de un marco común de herramientas teóricas: La teoría del funcional de la densidad (DFT, por sus siglas en inglés), la versión dependiente del tiempo de dicha teoría (TDDFT, por sus siglas en inglés) y la teoría de perturbaciones aplicada a sistemas con muchos elementos (MBPT, por sus siglas en inglés). En todos estos campos los investigadores participantes en el proyecto cuentan con una reconocida experiencia a nivel mundial.
Siendo más específicos, el objetivo del proyecto es desarrollar conceptos y herramientas en el campo del estudio teórico de la estructura electrónica de la materia dentro y fuera del equilibrio, siempre dentro de las tres teorías mencionadas anteriormente: DFT, TDDFT y MBPT. De esta manera se podrán identificar, entender y cuantificar los procesos de conversión, transporte y almacenamiento de energía en sistemas colectores de luz natural, dispositivos fotovoltaicos, proteínas fluorescentes y dispositivos artificiales nanoestructurados. A largo plazo se pretende establecer un marco teórico que permita predecir de manera cuantitativa el rendimiento de procesos de transferencia y almacenamiento de energía en sistemas reales (ver las dos líenas de investigación de aplicaciones que se describen en la sección 5). Lograr una herramienta multiescala con resolución espacio-temporal que modele desde primeros principios un sistema cuántico abierto dentro y fuera del equilibrio no solo ayudara a resolver los retos planteados en la búsqueda de energías limpias y renovables, sino que contribuirá de manera decisiva a responder muchas otras preguntas en los campos de la ciencia de materiales, la química, la biomedicina o la nanotecnología.

Objectives

Los avances en nuevas tecnologías, en especial los relacionados con el almacenamiento, conservación y conversión de energía, requieren de nuevos materiales. A este respecto la protección contra la corrosión, los procesos catalíticos, o la producción de nuevos semiconductores y baterías son algunas de las áreas de investigación cruciales. Los procesos de conversión de luz en energía en dispositivos fotovoltaicos (fotosíntesis artificial) o la hidrólisis del agua en celdas fotocatalíticas para (una manera de producir hidrógeno sin emitir dióxido de carbono, que será fundamental de cara a una futura “economía basada en el hidrógeno”), son procesos que tienen lugar a escala atómica o molecular. Las técnicas experimentales actuales carecen de la suficiente resolución para discernir cuál es la contribución de las distintas condiciones experimentales al rendimiento del proceso (p.ej. la temperatura, los defectos e impurezas presentes en los materiales, los disolventes empleados, etc.). Por este motivo, muchas de las cuestiones relacionados con las aplicaciones fotovoltaicas y fotocatalíticas, cuya resolución permitiría un avance significativo de estas tecnologías, siguen abiertas. La espectroscopia teórica, que consiste en el cálculo mecano-cuántico de excitaciones elementales a escala atómica, es particularmente adecuada para dar respuesta a esas preguntas, dando lugar a un control del mundo microscópico sin precedentes. Las simulaciones computaciones (también llamados experimentos computacionales o experimentos “in silico”) combinadas con experimentos reales (“in vivo” o “in vitro”) son indispensables para comprender y controlar el denominado “nanomundo”. Desde una perspectiva histórica, el control de los materiales llevó a la humanidad a dar el salto desde la Edad de Piedra hasta la Edad del Hierro. Ahora la espectroscopia teórica podría ayudarnos a dar un paso definitivo, controlando el movimiento de los electrones y muchas reacciones químicas, haciendo así posible la síntesis de los materiales que la sociedad actual necesita.

Las escalas de tiempo y espacio relevantes en los procesos mencionados en el párrafo anterior no pueden ser tratadas de manera exacta debido a que dichos procesos están afectados por perturbaciones externas. Cualquier observación que se realiza sobre un sistema se basa en la interacción del material con luz, electrones u otras fuentes. La descripción de la reacción del sistema a una perturbación plantea un importante reto, ya que normalmente el sistema pasa a estar fuera del equilibrio. Uno de los ejemplos más claros de lo anterior son los seres vivos, que viven fuera del equilibrio termodinámico gracias al constante aporte de energía externa. Las sorprendentes maneras en las que la naturaleza usa las fluctuaciones en torno a un estado estacionario son claves en muchos de sus procesos de control. Dichas fluctuaciones dependen de las propiedades mecano-cuánticas de los componentes a escala nanométrica de la materia viva. Para poder describir de una manera correcta la materia en entornos realistas (teniendo en cuenta efectos como la temperatura, la presión o los disolventes) y los efectos dinámicos que la afectan (disipación, respuesta a campos electromagnéticos, o la separación y transporte de portadores de carga), las actuales técnicas de espectroscopia teórica deben desarrollarse de manera significativa. Es necesario establecer conexiones entre las distintas escalas temporales (desde el attosegundo al minuto) y espaciales (desde el tamaño atómico hasta el celular) de un fenómeno para así desarrollar verdaderas técnicas multi-escala.

El nivel de conocimiento teórico de las propiedades y el control de sistemas cuánticos abiertos es, a día de hoy, manifiestamente insuficiente. Las aproximaciones drásticas que usan los modelos sencillos actuales han reducido considerablemente, cuando no completamente suprimido, la capacidad de predecir e interpretar resultados experimentales. La continua aparición de nuevas técnicas experimentales, más refinadas y precisas, está creando una brecha cada vez mayor entre experimentos y teoría. El objetivo de este proyecto es contribuir a cerrar esa brecha desarrollando un formalismo predictivo y computacionalmente eficaz basado en una descripción desde primeros principios de la decoherencia y la disipación en sistemas complejos dentro y fuera del equilibrio cuántico. El camino para alcanzar dicho objetivo tiene dos vertientes:
1.Por un lado desarrollar la teoría a nivel fundamental que permita crear un nuevo marco, dentro de la TDDFT, capaz de describir desde primeros principios sistemas cuánticos
abiertos y la manera de controlarlos.
2.Por otro lado establecer las bases de una aproximación “desde lo pequeño a lo grande” que permita calcular y controlar la dinámica de los estados excitados de sistemas moleculares de gran tamaño interactuantes con su entorno, poniendo especial atención en aplicaciones biológicas y energéticas.

Con esta aproximación desde primeros principios pretendemos responder a preguntas muy concretas. Sirvan como ejemplo las siguientes:
•¿Qué principios del transporte cuántico asistido por el entorno de los que tienen lugar durante la fotosíntesis podrían llegar a mimetizarse en una celda fotovoltaica orgánica?
•¿Cuáles son los límites del transporte excitónico, en términos de longitud de difusión y frecuencia de recombinación?
•¿Se pueden controlar?
•¿Cuál es el papel de la coherencia cuántica en el transporte de energía en complejos fotosintéticos, materiales fotovoltaicos y proteínas fluorescentes?
•¿Cómo podemos describir la transferencia de protones a través de membranas (nano-capilaridad)?

La estrategia para responder a estas y otras cuestiones estará coordinada por el investigador principal del grupo. Se basará en tres grandes líneas generales, que describimos de manera sucinta a continuación:
•Teoría y Método: Propondremos un nuevo esquema teórico, combinando la teoría de control cuántico óptimo (QOC, por sus siglas en inglés) y la teoría de sistemas cuánticos abiertos fuera del equilibrio (OQS, por sus siglas en inglés) con la TDDFT. Se incluye también el desarrollo de nuevos funcionales de intercambio y correlación para procesos fuera del equilibrio. Los avances teóricos serán implementados mediante algoritmos eficientes en el código OCTOPUS. Dichos algoritmos, diseñados específicamente para trabajar en paralelo en supercomputadores con rendimientos del orden del exa/peta-flop, estarán disponibles de manera gratuita para la comunidad científica
•Aplicaciones prácticas I. Estudio de sistemas biológicos: Comenzaremos estudiando procesos biológicos, como la fotosíntesis o la fluorescencia en proteínas, con los métodos de cálculo disponibles en la actualidad para determinar con claridad sus limitaciones. En un estadio más avanzado comenzaremos a emplear en estos sistemas las nuevas herramientas teóricas desarrolladas en las dos líneas anteriores.
•Aplicaciones prácticas II. Nanoestructuras artificiales biomeméticas: Los nuevos métodos y algoritmos ayudarán a diseñar nuevos materiales con determinadas funcionalidades. Se pondrá especial énfasis la posibilidad de mimetizar los mecanismos naturales, estudiados en la línea de sistemas biológicos, en nanoestructuras artificiales (p.ej. tratando de imitar el proceso fotosintético en células fotovoltaicas artificiales).

Cada una de estas tres líneas generales posee a su vez sus propias líneas de investigación concretas, que detallaremos en la siguiente sección. La descripción de las líneas de investigación incluye un plan de trabajo, la duración de las distintas etapas de la investigación, los resultados que se esperan en cada una de ellas y la relación de componentes del grupo involucrados en el mismo (también se hace referencia a los colaboradores externos)

Personal

Investigador principal: Angel Rubio
Heiko Appel
Tanjia Dimitrov
Johannes Flick
Stefan Kurth
Ilya Tokatly
Ask Hjorth Larsen
Yann Pouillon
Elena Cannuccia
Umberto De Giovannini
David Cardamone
Matteo Gatti
Duncan John Mowbray
Lorenzo Stella
Pierluigi Cudazzo
Amilcare Iacomino
Marius Wanko
Victor Morón
Seymur Cahangirov / Jahangirov
Robert Biele
Alison Crawford Uranga
Jessica Walkenhorst
Joseba Alberdi - Rodríguez
Martin Madel
Kaike Yang
Camilla Pellegrini
Mehdi Farzanehpour
Bruno Torcal Embeita
Alejandro Pérez
Alejandro Javier Varas Barboza
Roberto D´Agosta
Nicole Helbig
Miguel Marques
Pablo García González
Fernando Nogueira
Xavier Andrade
Alberto Castro
Juan Mª García Lastra

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