Simulación mecano-cuántica en sistemas complejos y nanoestructuras

Resumen

La física de la materia condensada tiene como objetivo fundamental conocer, explicar y predecir propiedades macroscópicas de la materia, desde el estudio del comportamiento de los constituyentes a nivel microscópico o atómico. El acercamiento a cada problema particular puede realizarse desde dos planteamientos ortogonales pero complementarios: experimento y teoría. En la actualidad nos enfrentamos al reto de entender y dominar la escala nanoscópica, donde la mecánica cuántica rige el comportamiento de la materia. El desarrollo teórico de la mecánica cuántica a lo largo del siglo XX y el esfuerzo metodológico para la integración de estos avances teóricos en un marco computacional durante los últimos años del pasado siglo, están dando sus frutos en la actualidad y todo parece indicar que en el futuro la simulación mecano-cuántica continuará creciendo tanto en sus capacidades computacionales, de la mano de los continuos avances en el desarrollo de hardware, como en la implementación de nuevos desarrollos teóricos. Las técnicas de simulación ab initio consisten en construir modelos y métodos de cálculo lo más exactos posibles partiendo de primeros principios; es decir, utilizando como punto de partida los postulados, teoremas y aproximaciones, definidos en la teoría, sin utilizar características particulares del sistema, conocidas a través de un experimento (parámetros experimentales). En un hipotético supuesto de poder realizar la simulación mediante una de estas técnicas de un experimento, cualquiera que éste fuere, incluyendo todos y cada unos de los componentes que en el montaje aparecen, se obtendría una ventaja y una desventaja respecto al experimento real. A favor jugaría que los fenómenos y propiedades físicas no estarían influenciadas por contaminaciones externas y/o factores no controlados, que en un experimento real, aunque siempre se intenta minimizar, no puede evitarse. Sin embargo, nos enfrentaríamos al handicap de no poder observar un fenómeno físico que no fuera consecuencia directa del marco teórico utilizado en el método. Es ésta la razón por la que simulación, entendida como la extensión computacional de la teoría, y experimento no solo son complementarias, sino que necesitan una retro alimentación continua. Los trabajos recopilados en esta memoria representan parte del trabajo desarrollado en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid, bajo la tutela de José M. Soler, para la realización de la Tesis Doctoral. Al igual que aquellos trabajos que por diferentes motivos han quedado fuera de la memoria, los presentes tienen un carácter exclusivamente metodológico y teórico, y se engloban dentro de lo que podría denominarse bajo el título genérico de simulaciones mecano-cuánticas desde primeros principios en física de la materia condensada. Sin embargo, me gustaría recalcar antes de su presentación, que no por ello han sido realizados alejados del trabajo experimental, siendo éste un punto de referencia, en unas ocasiones, y de confirmación en otros; habiendo suscitado colaboraciones con grupos experimentales. El manuscrito esta dividido en tres parte diferenciadas tituladas de forma libre como Sentando las Bases, Jugando con Átomos y Síntesis y Conclusiones La primera parte consta de tres capítulos. El primero, bajo el título de Introducción, se dedica a un breve repaso histórico, enumerando los hitos más importantes en el desarrollo de la Teoría del Funcional de la Densidad, y a una somera introducción del método SIESTA, explicando algunas de sus características y algunos parámetros de precisión que se usan en las simulaciones realizadas. El objetivo de este capítulo es esencialmente contextualizar las simulaciones e introducir la bibliografía relacionada. En el segundo capítulo se realiza una breve introducción las Fuerzas de van der Waals y su inclusión en el marco de la Teoría del Funcional de la Densidad. El tercer capítulo, y último de la primera parte, se dedica a la explicación detallada de la parte metodológica desarrolla en esta Tesis. Esta consiste en la implementación eficiente de un funcional de la densidad que incluye interacciones de van der Waals y constituye un avance en cuanto al tamaño de los sistema que pueden simularse con esta técnica. La segunda parte de la Tesis queda reservada a las simulaciones realizadas, con los métodos anteriormente conocidos y los de nuevo desarrollo, presentados en la primera parte. En cada uno de los capítulos, tras una pertinente motivación que contextualiza la investigación a realizar, se presenta el estado del arte de cada sistema. A continuación se explica la metodología específica y los detalles técnicos considerados imprescindibles, para pasar a la presentación de resultados, el análisis de los mismos y terminar con las conclusiones obtenidas. Por este orden, se presentan en los capítulos cuatro, cinco y seis: nuevas nano-estructuras de nitruro de carbono; un estudio nanotubos de carbono usando la metodología desarrolla para un funcional DFT con interacción no local ab initio; estudios de estabilidad, adsorción y difusión en clatratos de hidrato. La tercera parte queda reservada a la síntesis de los trabajos abordados y las conclusiones más relevantes. Este proyecto ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación a través de una beca de formación de personal investigador FPI.