Одна из множества странностей квантовой механики состоит в том, что частицы — например, фотон — могут также быть описаны как волны. В упорядоченных структурах, или кристаллах электроны могут выступать как волны, распространяющиеся по всей системе. Проходя через кристалл, в пространстве периодически формируются ионы — атомы с отрицательным или положительным зарядом.

Если добавить в кристалл новый электрон, его отрицательный заряд может заставить ионы вокруг него покидать свои упорядоченные позиции. Заряд электрона локализуется в пространстве и соединяется с окружающими искажениями в кристалле, порождая новую частицу полярон.

Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны опубликовали статью с описанием нового подхода к решению важного изъяна хорошо обоснованной теории, которая применяется для изучения взаимодействия электронов в материалах, пишет Phys.org. Метод называется теорией функционала плотности, и применяется в физике, химии, материаловедении для изучения электронной структуры систем многих тел — атомов или молекул.

Теория функционала плотности — мощный инструмент для расчета материалов с самого начала с помощью упрощения вычислений для взаимодействия электронов. Однако она подвержена кажущимся взаимодействиям электрона с самим собой — так называемой проблеме самовоздействия. Это одно из самых главных ограничений теории, которое часто ведет к неверному описанию поляронов.

«В этой работе мы представили теоретическую формулировку самовоздействия электрона, которая решает проблему локализации поляронов в теории функционала плотности, — сказал Стефано Фалетта, один из исследователей.

Исследование открывает путь к беспрецедентным по точности расчетам поляронов в больших системах, систематическому изучению больших групп материалов и развитию молекулярной динамики в течение длительного времени.

Новое уравнение, созданное учеными из Великобритании, показало возможность точного моделирования диффузионного движения сквозь проницаемый материал. Оно появилось спустя столетие после того, как Альберт Эйнштейн и Мариан Смолуховский получили первое диффузионное уравнение, и свидетельствует о прогрессе в представлении движения широкого спектра веществ, от микроскопических частиц и природных организмов до рукотворных устройств.