Grupos Consolidados: Simulación de Nanoestructuras, Biomoléculas y sistemas complejos de interés tecnológico: técnicas espectr

Basque Government and UPV/EHU

Status: finished project
Contract Number:
IT-319-07
Starting date 
1 January 2007
Ending date 
31 December 2012

La espectroscopía es la herramienta esencial para la caracterización a escala atómica de sistemas complejos tales como nanoestructuras, materiales de interés tecnológico o sistemas biológicos. De hecho, todo lo importante proviene de la interacción de la materia con perturbaciones externas. En la actualidad, las propiedades estructurales se estudian rutinariamente usando técnicas como difracción de rayos X y neutrones y microscopía de efecto túnel. Desde una perspectiva teórica, la metodología estándar de primeros principios es la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), sobre todo bajo las aproximaciones local (LDA) y semilocal (GGA) para los efectos de intercambio y correlación (XC). La DFT permite obtener de manera muy eficiente las propiedades del estado fundamental de todo sistema electrónico y, por ende, la estructura atómica energéticamente más favorable. La popularización de la DFT es, indudablemente, uno de los mayores logros de la Física Teórica de la Materia Condensada y su impacto ha trascendido a otros campos de la ciencia, como Biología o Farmacología.

Sin embargo, uno de los retos actuales en este campo es entender con más profundidad las propiedades de estados electrónicos excitados, siendo éste el objetivo genérico del proyecto científico que presentamos. En este caso, hay múltiples técnicas espectroscópicas asociadas, bien electrónicas (fotoemisión inversa y directa, pérdida de energía de electrones, de fs, etc.) o bien fotónicas (fotoabsorción, dispersión inelástica de rayos X, etc.). Ahora bien, las correspondientes descripciones teóricas exigen ir más allá de la DFT. En su lugar, los métodos adecuados son su extensión dependiente del tiempo (TDDFT) y la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos (MBPT). Los últimos avances en este campo han sido muy importantes, incluyendo nuevos paradigmas teóricos y el desarrollo de herramientas computacionales cada vez más eficientes. Esto permite abordar la descripción ab-initio de una amplia gama de sistemas en los que la complejidad se combina con una rica fenomenología físico-química y la posibilidad de controlar el estado cuántico del sistema. La espectroscopía teórica se ha convertido así en una potente herramienta con capacidad predictiva. A pesar de ello, existen todavía retos teóricos abiertos y, lo que es más importante, campos de aplicación (fundamentalmente en el ámbito de la nano y nanotecnología, diseño de materiales funcionalizados y, en general, en sistemas complejos) en los que la espectroscopía teórica se ha utilizado marginalmente.

Bajo esta doble motivación, nuestro proyecto abordará problemas fundamentales relacionados con la caracterización teórica y computacional de propiedades electrónicas en sistemas complejos. Estas propiedades, independientemente del objeto de estudio, de su naturaleza estática (estructurales) o dinámica (de respuesta y de transporte), se estudiarán aplicando y desarrollando herramientas teóricas y computacionales comunes en las que los investigadores participantes tienen una contrastada experiencia. Así, el proyecto posee una triple vertiente:

a) Por una parte, consideraremos líneas de investigación relacionadas con el desarrollo e implementación de nuevas técnicas teórico-computacionales, que incluyen de forma natural la discusión crítica de las herramientas que conforman el estado del arte de la espectroscopía teórica.

b) Por otra, contemplaremos el estudio de problemas específicos con relevancia en campos en principio tan dispares como la electrónica molecular, el desarrollo de materiales fotovoltaicos y la caracterización espectroscópica de nanoestructuras y sistemas biológicos.

c) Finalmente, el desarrollo de los diferentes objetivos y la incorporación de nuevos investigadores permitirá la consolidación del nodo de la European Theorerical Spectroscopy Facility (ETSF) en España

Objectives

Nos planteamos esta investigación como un proyecto ambicioso de desarrollo y aplicación de técnicas teóricas en Física de la Materia Condensada con un enfoque directo en problemas de interés en Biofísica y Nanociencia. Los temas tratados se encuentran en la frontera del conocimiento en el campo de la descripción de primeros principios de propiedades electrónicas y constituyen un ejemplo de sinergia entre desarrollo formal y aplicabilidad que exige la comparación entre aproximaciones teóricas, simulaciones avanzadas y resultados experimentales.

Personal

Investigador principal: Angel Rubio
Juan Mª García Lastra
Yann Pouillon
Xavier Andrade Valencia
Claudio Attaccalite
Pablo García-González
Miguel Marques
Ludger Wirtz
Michel Bockstedte