Reviews of Modern Physics: Dichtefunktionaltheorie – eine Übersicht

05. Oktober 2015

In nur wenig mehr als 20 Jahren ist die Zahl der Anwendungen der Dichtefunktional(DF)-Theorie in der Chemie und in den Materialwissenschaften erstaunlich stark gestiegen. Schon die reine Zahl der Veröffentlichungen belegt den großen Erfolg von DF-Berechnungen. Bemerkenswerter noch ist der große Erfolg vor dem Hintergrund, dass die breite Nutzung von DF-Methoden, vor allem in der Chemie, erst nach 1990 begann. Die Anfänge der DF markieren nach verbreiteter Ansicht jedoch die Veröffentlichungen von Hohenberg, Kohn, and Sham mehr als ein Vierteljahrhundert davor. In den späten 1980er-Jahren versprach dann die Kombination von DFT und Molekulardynamik eine effiziente Möglichkeit, Strukturen und Reaktionen in Molekülen und ausgedehnten Systemen zu untersuchen.

Dr. Robert O. Jones vom Institut Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1) gibt nun einen Überblick über die Entwicklung dichtebezogener Methoden bis zurück in die frühen Jahre der Quantenmechanik und verfolgt ihren Durchbruch in der Anwendung nach 1990. Im angesehenen Fachmagazin Reviews of Modern Physics stellt er zwei Beispiele aus der Biochemie und den Materialwissenschaften vor, die zu den vielen heutigen Anwendungen zählen, an die in 1990 noch gar nicht zu denken war. Außerdem bespricht er die Gründe, warum derzeit einige der meistzitierten Anwender der DFT sorgenvoll in die Zukunft schauen.

Originalveröffentlichung:

Density functional theory: Its origins, rise to prominence, and future
R. O. Jones,
Reviews of Modern Physics, Vol. 87, July – September 2015, published 25 August 2015
DOI: 10.1103/RevModPhys.87.897 

Anwendungsbeispiel der DFT: Simulation der Kristallisierung einer Ge2Sb2Te5 (GST)-Legierung bei 600 K. GST-Legierungen werden häufig in der Informationstechnologie eingesetzt. (a) Amorphe Struktur nach 215 ps. (b) kristalline Struktur. Die Kristallisierung läuft in weniger als einer Nanosekunde ab und es ist möglich, zu beobachten, wie sich die räumliche Verteilung von Leererstellen währenddessen verändert. Die Leerstellen sind eine Voraussetzung für die rasche Kristallisierung dieser Materialien. Für diese Untersuchungen an einer Probe aus 460 Atomen über 1045 ps waren mehr als 400000 einzelne DF-Berechnungen der Energien und Kräfte nötig.