Физики разработали мощную альтернативу динамической теории функционала плотности

7 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

от Университета Байройта

Живые организмы, экосистемы и планета Земля являются с точки зрения физики примерами чрезвычайно крупных и сложных систем, не находящихся в тепловом равновесии. Для физического описания неравновесных систем до сих пор используется динамическая теория функционала плотности.

Однако у этой теории есть слабые места, как это показали физики из Университета Байройта в статье, опубликованной в журнале Journal of Physics: Condensed Matter. Теория степенного функционала работает значительно лучше — в сочетании с методами искусственного интеллекта она позволяет более надежно описывать и прогнозировать динамику неравновесных систем с течением времени.

Многочастичные системы — это все виды систем, состоящих из атомов, электронов, молекул и других частиц, невидимых глазу. Они находятся в тепловом равновесии, когда температура сбалансирована и тепловой поток не возникает. Система, находящаяся в тепловом равновесии, меняет свое состояние только при изменении внешних условий. Теория функционала плотности специально разработана для изучения таких систем.

Уже более полувека он доказывает свою неограниченную ценность в химии и материаловедении. На основе мощного классического варианта этой теории состояния равновесных систем можно описывать и предсказывать с высокой точностью. Теория функционала динамической плотности (DDFT) расширяет сферу применения этой теории на неравновесные системы. Это предполагает физическое понимание систем, состояния которых не фиксируются внешними граничными условиями.

Эти системы обладают собственным импульсом: они способны изменять свое состояние без воздействия на них внешних воздействий. Поэтому результаты и методы применения DDFT представляют большой интерес, например, для изучения моделей живых организмов или микроскопических потоков.

Однако DDFT использует вспомогательную конструкцию, позволяющую сделать неравновесные системы доступными для физического описания. Он переводит непрерывную динамику этих систем во временную последовательность состояний равновесия. Это приводит к потенциальным ошибкам, которые не следует недооценивать, как показывает команда из Байройта под руководством профессора, доктора Матиаса Шмидта в новом исследовании.

Исследования сосредоточились на сравнительно простом примере — однонаправленном потоке газа, известного в физике как «жидкость Леннарда-Джонса». Если эту неравновесную систему интерпретировать как цепочку последовательных состояний равновесия, то игнорируется один аспект, связанный с нестационарной динамикой системы, а именно поле течения. В результате DDFT может предоставлять неточные описания и прогнозы.

«Мы не отрицаем, что динамическая теория функционала плотности может дать ценную информацию и предложения, когда она применяется к неравновесным системам при определенных условиях. Проблема, однако, и мы хотим привлечь к этому внимание в нашем исследовании на примере потока жидкости, заключается в том, что невозможно определить с достаточной уверенностью, выполняются ли эти условия в каком-либо конкретном случае. DDFT не обеспечивает никакого контроля над тем, заданы ли ограниченные базовые условия, при которых он обеспечивает надежные расчеты. Это делает тем более целесообразным разработку альтернативные теоретические концепции для понимания неравновесных систем», — говорит профессор доктор Даниэль де лас Эрас, первый автор исследования.

В течение десяти лет исследовательская группа профессора доктора Матиаса Шмидта вносила значительный вклад в развитие еще молодой физической теории, которая до сих пор доказала свою большую успешность в физическом изучении многочастичных систем: степенного функционала. теория (ПФТ). Физики из Байройта преследуют цель описывать динамику неравновесных систем с той же точностью и элегантностью, с которой классическая теория функционала плотности позволяет анализировать равновесные системы.