Le simulazioni condotte sui supercomputer TACC Frontera e Lonestar6 hanno rivelato la presenza di strutture vorticose nei polaroni, quasiparticelle composte da elettroni e atomi, che giocano un ruolo cruciale nella conversione dell’energia solare in elettricità. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare lo sviluppo di nuove celle solari e sistemi di illuminazione LED, considerati tecnologie sostenibili per il futuro dell’illuminazione.
Il professor Feliciano Giustino, fisico e titolare della cattedra W. A. ‘Tex’ Moncrief, Jr. di Ingegneria dei Materiali Quantistici presso il College of Natural Sciences e membro del core faculty dell’Oden Institute for Computational Engineering and Sciences presso l’Università del Texas a Austin, ha descritto i polaroni come pacchetti d’onda localizzati e ristretti. Queste “masse di carica” conferiscono ai perovskiti proprietà peculiari, come la capacità di mantenere gli elettroni in uno stato eccitato, essenziale per la produzione di energia.
Giustino ha spiegato che la struttura vorticosa dei polaroni potrebbe impedire agli elettroni di ritornare a livelli di energia non eccitati, grazie alla natura topologica protetta di questi vortici nel reticolo dei perovskiti alogenuri. Questo fenomeno permette agli elettroni di fluire senza perdere energia, potenzialmente aumentando l’efficienza nella conversione dell’energia solare.
I perovskiti, scoperti per la prima volta nel 1839 come ossido di calcio e titanio da Gustav Rose, hanno visto un’evoluzione significativa con la scoperta dei perovskiti alogenuri nel 2012 da parte del gruppo di ricerca di Henry Snaith all’Università di Oxford. Questi materiali hanno raggiunto un’efficienza di conversione energetica del 25% in soli dieci anni, un traguardo che ha richiesto circa 70 anni per essere raggiunto dal silicio.
Per lo studio, Giustino ha utilizzato risorse computazionali fornite dal TACC e dal DOE, necessarie per gestire simulazioni che coinvolgono circa mezzo milione di atomi, un compito impossibile con metodi standard. La collaborazione con TACC ha incluso lo sviluppo del codice EPW, un software open-source per il calcolo delle interazioni elettrone-fonone, essenziale per studiare la formazione dei polaroni.
Questo lavoro di ricerca, pubblicato nei Proceedings of the National Academy of Sciences, non solo getta luce sui meccanismi interni dei perovskiti alogenuri ma apre anche la strada a future applicazioni come la memoria ferroelettrica, che potrebbe beneficiare delle proprietà uniche dei polaroni per sviluppare dispositivi di memoria più compatti.
L’investimento in calcolo ad alte prestazioni e le future piattaforme computazionali sono ritenuti essenziali per la scienza, come sottolineato da Giustino, evidenziando l’importanza di risorse come il TACC per espandere e migliorare le infrastrutture esistenti. Questo studio è stato supportato dal programma Computational Materials Sciences finanziato dal U.S. Department of Energy.