Un nuevo método numérico permite acelerar la modelización de materiales interaccionando con luz

La modelización computacional de materiales está jugando un papel importante en el desarrollo de materiales modernos con funcionalidades específicas. Incluso estas herramientas computacionales podrían predecir materiales estables no sintetizados todavía.

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM - CSIC) ha diseñado una nueva metodología para modelizar la respuesta óptica de materiales.

 El trabajo, publicado en el Journal of Chemical Theory and Computation, se basa en simular en tiempo real la interacción de la luz con el material, no restringido a la intensidad de la luz. Esto hace posible describir respuestas no lineales, como por ejemplo el efecto fotovoltaico o procesos ultrarrápidos.

Concretamente, los investigadores demuestran la posibilidad de describir excitones en tiempo real y por tanto modelizar la respuesta óptica de forma realista.

Según explican, “la metodología se basa en la propagación de la matriz densidad en una base localizada. El formalismo de la matriz densidad era conocido, pero su implementación numérica para hacer cálculos puramente ab initio mostraba varias dificultades técnicas”.

El trabajo, en suma, muestra cómo resolver estas dificultades y abre así una nueva puerta para el desarrollo de códigos eficientes para la modelización de materiales optoelectrónicos y fotovoltaicos, o de estudios ultrarrápidos con el objetivo de investigar propiedades y cambios de fase transitorios inducidos por pulsos de luz láser.

Tiempo real y respuesta lineal

Actualmente existe una serie de programas numéricos disponibles para modelizar materiales, algunos libres, otros con una versión de pago, la cual ofrece más aplicaciones, y otros totalmente de pago. Sin embargo, cabe destacar que todos ellos se desarrollaron originalmente en el mundo académico antes de transferirse a la empresa privada.

Prácticamente todos los códigos están basados en Density Functional Theory (DFT), una teoría que permite una buena combinación de rapidez y precisión. Sin embargo, hay pocos códigos que permitan calcular las propiedades de materiales interaccionando con luz. Los más conocidos están basados en Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT).

Entre ellos, hay que diferenciar TDDFT a tiempo real y TDDFT en respuesta lineal, pues el último no permite describir respuestas no lineales. Pero TDDFT sufre un problema intrínseco al describir la respuesta óptica.

Por ejemplo, los materiales semiconductores pueden absorber luz en el rango de infrarrojo y visible fácilmente, excitando electrones de la capa de valencia a la capa de conducción. Esa excitación provoca una atracción entre el hueco (carga positiva), que se genera en la capa de valencia, y los electrones (carga negativa), transferidos a la capa de conducción. Esa atracción crea una cuasiparticula entre el electrón y el hueco conocida como excitón, cuya descripción es fundamental para calcular la respuesta óptica.

Describir el excitón en TDDFT no es trivial y las soluciones existentes son costosas numéricamente. Otras opciones actualmente investigadas consisten en extender la ecuación de Bethe-Salpeter (BSE), ecuación muy conocida que permite describir excitones, al dominio temporal para hacer simulaciones en tiempo real.

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Referencia bibliográfica:

Cistaro, G., Malakhov, M., Esteve, J.J., Uría-Álvarez, A.J., Silva, R.E.F., Martín, F., Palacios, J.J., Picón, A. 2023. A theoretical approach for electron dynamics and ultrafast spectroscopy (EDUS). Journal of Chemical Theory and Computation 19(1), 333-348.

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