Calcoli accurati e predittivi delle proprietà spettrali e ottiche dei materiali, come il gap di banda dei semiconduttori, sono fondamentali per comprendere, scoprire e progettare materiali per innumerevoli applicazioni nei campi dell’elettronica, dell’accumulo e conservazione dell’energia e della fotonica.
Nonostante i notevoli progressi teorici e la crescita esponenziale della potenza di calcolo avvenuta negli ultimi cinquant'anni, queste simulazioni restano però una sfida sotto molti aspetti. I metodi già consolidati, basati sui diagrammi di Feynman, sono limitati dalla loro complessità e dal costo computazionale. Inoltre, spesso non tengono conto dello spin nel trattare le interazioni tra gli elettroni nei materiali. Ciò è particolarmente rilevante se si considera l'accoppiamento spin-orbita, un effetto relativistico che è forte in presenza di elementi chimici pesanti e che spesso gioca un ruolo importante in applicazioni scientifiche o tecnologiche all'avanguardia.
In un nuovo articolo appena pubblicato sulla rivista Physical Review Research, Antimo Marrazzo della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste, Italia, e Nicola Colonna del Paul Scherrer Institute di Villigen, Svizzera, propongono un cambio di paradigma. Lo fanno introducendo un nuovo approccio funzionale che permette di calcolare le strutture a bande dei semiconduttori in modo semplice e a basso costo computazionale, anche in presenza di accoppiamento spin-orbita o configurazioni magnetiche complesse. Questo sviluppo renderà lo screening computazionale dei database di materiali molto più efficiente e accurato e potrà permettere di simulare materiali complessi in condizioni più realistiche, come in presenza di difetti o tenendo conto di effetti dovuti alla temperatura.