稳定极化子开辟了新的物理学

在氧化镁原子中形成的极化子。图片来源：S·法莱塔，洛桑联邦理工学院

EPFL的物理学家已经开发了一种公式来解决在研究极化子（材料中电子 - 声子相互作用产生的准粒子）时电子自相互作用的长期问题。这项工作可以导致对大型系统中极化子的前所未有的计算，对大型材料集的系统研究以及长时间演变的分子动力学。

量子力学的众多特点之一是粒子也可以被描述为波。一个常见的例子是光子，与光相关的粒子。

在被称为晶体的有序结构中，电子可以被看到并描述为在整个系统中传播的波 - 这是一个相当和谐的画面。当电子在晶体中移动时，离子（带有负电荷或正电荷的原子）周期性地排列在空间中。

现在，如果我们要在晶体中添加一个额外的电子，它的负电荷可能会使它周围的离子远离它们的平衡位置。电子电荷将局限于空间，并与周围的结构-“晶格”-晶体的扭曲耦合，从而产生一种称为极化子的新粒子。

“从技术上讲，极化子是一种准粒子，由由其自诱导的声子'包裹'的电子组成，其代表晶体的量子化振动，”EPFL基础科学学院的Stefano Falletta说。“极化子的稳定性源于两种能量贡献之间的竞争：电荷定位引起的增益和晶格失真引起的成本。当极化子不稳定时，额外的电子在整个系统上离域，而离子恢复其平衡位置。

他们与EPFL的Alfredo Pasquarello教授合作，在《物理评论快报》和《物理评论B》上发表了两篇论文，描述了一种解决物理学家用来研究材料中电子相互作用的成熟理论的主要缺陷的新方法。该方法称为密度泛函理论或DFT，用于物理，化学和材料科学，以研究原子和分子等多体系统的电子结构。

DFT是一种功能强大的工具，通过简化电子相互作用的处理，对材料进行从头开始计算。然而，DFT容易受到电子与自身自身的杂散相互作用的影响——物理学家称之为“自相互作用问题”。这种自相互作用是DFT的最大局限性之一，经常导致对极化子的错误描述，而极化子往往不稳定。

“在我们的工作中，我们引入了电子自相互作用的理论公式，解决了密度泛函理论中的极化子定位问题，”Falletta说。“这可以在计算效率高的方案中获得精确的极化子稳定性。我们的研究为在大型系统中，在涉及大量材料的系统研究中或在很长一段时间内进化的分子动力学中对极化子进行前所未有的计算铺平了道路。

更多信息：斯特凡诺·法莱塔等人，多体自我互动和极化子，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/物理回复 129.126401

斯特凡诺·法莱塔等人，密度泛函理论中无多体自相互作用的极化子，物理评论B（2022）。DOI： 10.1103/物理强度B.106.125119

期刊信息： 物理评论快报 ， 物理评论 B