PROPIEDADES ELECTRÓNICAS EN LA NANOESCALA
La línea de investigación “Propiedades electrónicas en la nanoescala” se centra en las propiedades electrónicas de sólidos, superficies, nanoestructuras y sistemas de baja dimensión. La investigación dentro de la línea aborda las propiedades electrónicas tanto de base como de los estados de excitación de estos sistemas. En particular, se investiga la respuesta electrónica de materiales bajo diferentes perturbaciones, es decir, diferentes sondas experimentales (radiación electromagnética, electrones, iones, etc.). La forma en la que el tamaño, borde y los efectos de dimensionalidad pueden cambiar las propiedades de los materiales nanométricos está bajo escrutinio.
En esta línea de investigación puramente teórica se incluyen cinco grupos de investigación. La actividad de todos los grupos abarca el estudio teórico de una amplia gama de materiales, incluyendo tanto la escala microscópica como la mesoscópica, basadas en metodologías de última generación.
LOS GRUPOS DE INVESTIGACIÓN
EXCITACIONES ELECTRÓNICAS EN SUPERFICIES Y NANOESTRUCTURAS
El grupo “Excitaciones Electrónicas en Superficies y Nanoestructuras”, está dedicado principalmente al estudio teórico de la dinámica de los electrones en sólidos, superficies, sistemas a nanoescala y materiales de interés tecnológico. Además, las propiedades electrónicas y magnéticas de los materiales se obtienen utilizando metodologías de principios primarios. Se investiga la dinámica de los electrones en diferentes sistemas, con especial énfasis en los procesos ultrarrápidos y los efectos de tamaño. Los materiales avanzados, como los aislantes topológicos y los sistemas relacionados con el cemento, son los objetivos actuales de la investigación de grupo.
Teoría Cuántica de Materiales
La actividad del grupo “Teoría Cuántica de Materiales” se centra en el cálculo de principios básicos de las propiedades de los materiales y en el desarrollo de nuevas técnicas ab initio. Se desarrollan nuevos métodos teóricos para superar los problemas asociados a los enfoques teóricos estándar, especialmente, para describir con mayor precisión la descripción cuántica de las interacciones electrón-fonón y fonón-fonón. Estas nuevas técnicas se aplican para comprender las propiedades electrónicas y vibracionales de materiales complejos, así como para predecir nuevos compuestos con propiedades interesantes totalmente ab initio.
En los últimos años el equipo ha concentrado sus esfuerzos en el estudio de: i) los compuestos superconductores de alta temperatura basados en hidrógeno a alta presión, así como el propio hidrógeno; ii) los materiales termoeléctricos y materiales con ondas de densidad de carga tanto en el volumen como en la monocapa, con el objetivo de caracterizar su diagrama de fases y sus propiedades de transporte; iii) las excitaciones electrónicas colectivas en los metales; y, por último, iv) las redes ópticas.
En 2019, Ion Errea, investigador de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) se convirtió en el nuevo líder de este grupo en el CFM, relevando a Aitor Bergara que había asumido el liderazgo del grupo en los últimos años.
FÍSICA MESOSCÓPICA
El grupo “Física Mesoscópica” se dedica al estudio teórico de las propiedades de los sistemas mesoscópicos, así como al estudio del transporte cuántico en metales, ferromagnéticos, semiconductores, superconductores, sistemas de átomos fríos, materiales orgánicos y aislantes. El objetivo principal del grupo es el desarrollo de marcos teóricos para describir varios fenómenos relacionados con el transporte cuántico en sistemas mesoscópicos, tales como la coexistencia del ferromagnetismo y la superconductividad, el transporte de calor en nanoestructuras, la coherencia cuántica en sistemas híbridos y sistemas fuertemente correlacionados.
NANO-BIO ESPECTROSCOPIA
El grupo “Nano-bio Espectroscopia” se centra en la teoría y modelización de las propiedades electrónicas y estructurales de la materia condensada y en el desarrollo de nuevas herramientas teóricas y códigos computacionales para investigar la respuesta electrónica de sólidos y nanoestructuras a campos electromagnéticos externos. Las actuales actividades de investigación incluyen nuevos desarrollos dentro de la teoría de muchos cuerpos y la TDDFT. También se aborda la descripción teórica de la espectroscopia óptica, las espectroscopias con resolución temporal, STM/STS y XAFS. Los desarrollos metodológicos incluyen técnicas novedosas para el cálculo de las energías totales y la evaluación y desarrollo de funcionalidades de correlación de intercambio para los cálculos de TDDFT y mejoras en la teoría del transporte dentro del formalismo de TDDFT en tiempo real.
GRUPO DE INVESTIGACIÓN SOUZA
La actividad del grupo “La investigación de Souza” se centra en la teoría de la materia condensada, utilizando técnicas computacionales para estudiar las propiedades de los materiales desde los primeros principios. El trabajo del grupo a menudo implica el desarrollo de nuevos enfoques teóricos y algoritmos, y su aplicación a problemas de interés actual, incluyendo métodos para estudiar aisladores en campos eléctricos finitos, así como para construir orbitales Wannier localizados para metales. Los fenómenos que surgen de la interacción entre el orden magnético colectivo en los sólidos y la interacción espín-órbita dentro de los átomos constituyentes también han sido tratados recientemente.
MATERIALES CERÁMICOS Y CEMENTICIOS (MC2)
Combinando conocimientos de diferentes disciplinas como la física del estado sólido, la física de las materias blandas, la geoquímica y la ingeniería química, el grupo “Materiales cerámicos y cementosos” se centra en el diseño computacional y la síntesis de nuevos materiales cerámicos y cementosos con menor huella de CO2. Entre sus diferentes líneas de investigación, cabe destacar las siguientes:
- El uso de simulaciones atómicas y coloidales para estudiar la estructura y propiedades de los materiales.
- La implementación de nuevas tecnologías de fluidos hidrotermales y supercríticos (SCF) para la síntesis ultrarrápida de nanopartículas cerámicas.
- El desarrollo de nuevas metodologías de sinterización mediante el uso de autoclaves o microondas que permiten un notable ahorro energético y una drástica reducción de las emisiones de CO2.
TEORÍA DE EXCITACIONES ELECTRÓNICAS Y ÓPTICAS DE LOS MATERIALES
La investigación del grupo se centra en propiedades materiales de interés reciente como la respuesta óptica no-lineal de semiconductores, excitaciones electrónicas colectivas, y aspectos magnéticos de sistemas de baja dimensionalidad. La caracterización de estos sistemas se lleva a cabo mediante el uso de códigos especializados que implementan la teoría del funcional de la densidad. Para el análisis de las propiedades más exóticas, el grupo desarrolla sus propios algoritmos teóricos y computacionales que en ocasiones hacen uso de modelos k-dot-p y tight-binding.
RESEARCH FACILITIES
Several computing clusters at the CFM and other institutions (such as DIPC) under collaborative research. Several scientific codes for ab initio calculations (DFT based on plane waves and local orbitals, quantum chemistry), as well as other computational and graphic packages.
Development of scientific software for ab initio calculations, including time-dependent propagation, electromagnetic and optical response, as well as for other methodologies. Development of packages freely distributed to the scientific community (e.g., OCTOPUS for time-dependent density functional theory calculations).