材料は、陽子、中性子、電子で構成される原子で構成されています。これらの粒子間の相互作用は、その強度、導電率、磁気挙動など、材料の特性を決定します。これらの相互作用を理解することは、エネルギー貯蔵、エレクトロニクス、触媒など、幅広い用途向けに目的の特性を持つ新しい材料を設計するために不可欠です。
材料における電子の挙動を研究するための最も正確な方法の1つは、密度官能理論（DFT）です。これは、原子、分子、および固体の電子構造を計算するために広く使用されている方法です。ただし、DFT計算は、特に大規模なシステムまたは重度のシステムを含むシステムの場合、計算集中的なものである可能性があり、多くの実用的なケースで適用するのが難しいものです。
自己整合的なフィールド（SCF）アプローチには、DFT計算を定義する方程式のセットであるKohn-Sham方程式を解くことが含まれます。従来のアプローチでは、コーンシャム方程式は、平面波などの有限の基底関数のセットで電子の波動関数を拡大することにより解決されます。このアプローチは、特に多数の原子を備えたシステムの場合、計算上高価です。
Argonneの研究者によって開発された新しい手法は、PlaneWave Basingセットと呼ばれるより効率的なアプローチを使用しています。このアプローチでは、波動関数はグリッド上で表され、平面波のセットに投影されます。これにより、計算の計算コストが削減され、科学者がより大きな精度と効率でより大きなシステムを研究することができます。
「この新しい手法の開発は、計算材料科学の分野における重要なブレークスルーです」と、アルゴンヌの上級科学者であり、研究の主任研究者の1人であるジョン・ペルデュー博士は述べています。 「それは、材料の電子の挙動を研究するための新しい可能性への扉を開き、これにより、高度な材料の発達が加速されます。」
研究者は、シリコン、水、複雑な酸化物材料など、さまざまな材料を研究することにより、新しい技術の力を実証しました。彼らは、彼らの手法が従来のDFT計算と同様の精度を達成できることを発見しましたが、計算コストが大幅に削減され、将来の材料研究のための有望なツールになっています。
「PlaneWave Basion Set：Formalism and Infermentationを使用した自己整合性フィールド密度機能理論」というタイトルの研究は、Journal of Chemical Physicsに掲載され、DOE科学局によってサポートされていました。研究チームには、アルゴンヌ国立研究所、カリフォルニア大学バークレー校、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の科学者が含まれていました。
