Một phương pháp tính toán mới được phát triển tại Đại học Chicago (Mỹ) hứa hẹn làm sáng tỏ các loại vật liệu phức tạp - từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao đến chất bán dẫn trong pin mặt trời - bằng cách hợp nhất hai quan điểm khoa học vốn tách biệt lâu nay.

Giáo sư Laura Gagliardi, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Trong nhiều thập kỷ, các nhà hóa học và vật lý học đã quan sát vật liệu qua những lăng kính rất khác nhau. Chúng tôi đã xây dựng một phương pháp chặt chẽ để kết hợp các quan điểm này, tạo ra bộ công cụ mới giúp hiểu và thiết kế các vật liệu có tính chất vượt trội".

Đối với chất rắn, các nhà vật lý thường xem xét dựa trên cấu trúc vùng năng lượng (band structures) lặp lại và rộng lớn. Ngược lại, các nhà hóa học tập trung vào hành vi cục bộ của các electron trong các phân tử hoặc phân đoạn cụ thể.

Tuy nhiên, nhiều vật liệu quan trọng - như chất bán dẫn hữu cơ, khung kim loại-hữu cơ (MOF) và các oxit tương quan mạnh - không hoàn toàn phù hợp với riêng mô hình nào. Trong các vật liệu này, electron thường được xem là di chuyển theo cơ chế "bước nhảy" giữa các phân đoạn lặp lại thay vì phân bố trên toàn bộ vật liệu.

Daniel King, đồng tác giả, giải thích: "Việc mô tả chính xác electron trên từng phân đoạn riêng lẻ là khả thi, nhưng sẽ làm mất đi bức tranh toàn cảnh về cách điện tích di chuyển trong vật liệu. Phương pháp của chúng tôi giải quyết vấn đề này bằng cách vừa mô hình hóa các phân đoạn cục bộ, vừa nắm bắt được cách electron di chuyển giữa chúng".

Phương pháp mới này được phát triển dựa trên nền tảng Không gian hoạt động cục bộ (Localized Active Space - LAS). Bằng cách mở rộng LAS áp dụng cho các chất rắn có cấu trúc tuần hoàn, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phương pháp lai, kết hợp hóa học lượng tử cục bộ với lý thuyết vùng năng lượng toàn cục.

Các kết quả từ nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications gần đây.

Để chứng minh hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp này vào một số trường hợp phức tạp:

- Chuỗi hydro: Các phương pháp Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) cổ điển thường phân loại sai hệ thống này là kim loại, trong khi thực tế chúng phải hoạt động như chất cách điện. Phương pháp LAS mới đã mô phỏng chính xác tính chất cách điện do các electron trong chuỗi hydro tạo ra.

- Lớp chuyển tiếp p–n: Đây là thành phần cơ bản của pin mặt trời và chip máy tính. Phương pháp này đã làm rõ cách các điện tích phân tách và di chuyển qua lớp chuyển tiếp khi bị ánh sáng kích thích – một quá trình trước đây rất khó nắm bắt.

Bhavnesh Jangid, nghiên cứu sinh và đồng tác giả, nhận định: "Đây là bước đầu chứng minh nguyên lý. Chúng tôi đã cho thấy phương pháp này nắm bắt đúng bản chất vật lý với độ chính xác cao và sẽ tiếp tục tích hợp các kỹ thuật tiên tiến khác để hoàn thiện nó".

Nhóm nghiên cứu kỳ vọng phương pháp này sẽ trở thành công cụ đắc lực để tìm hiểu các vật liệu hiện có và thiết kế các vật liệu mới.

"Về bản chất, mọi vật liệu đều tuân theo cơ học lượng tử. Đây là một bước tiến quan trọng để thực sự hiểu cách cơ học lượng tử chi phối các tính chất vật liệu trong đời sống hàng ngày", Daniel King kết luận.

P.T.T (NASTIS), https://phys.org/news, 1/2026