Valutazione preliminare dei materiali fortemente correlati nelle celle a ossidi solidi mediante simulazione quantistica

Abstract degli autori

Sviluppiamo un quadro completo per valutare un’applicazione della computazione quantistica nella scienza industriale dei materiali: la valutazione preliminare di materiali fortemente correlati per gli elettrodi dell’ossigeno delle SOFC e delle SOEC. Formuliamo il problema dei materiali in termini di osservabili all’interfaccia, tra cui le energie di formazione delle vacanze di ossigeno, le barriere alla migrazione delle vacanze e la conducibilità elettronica. Descriviamo come ottenere queste osservabili mediante un embedding diagrammatico basato su GW, con GW+DMFT o con la self-energy embedding theory (SEET), applicato a una rosa ristretta di materiali preselezionati mediante DFT. L’interfaccia atomistica tra elettrodo ed elettrolita definisce il problema di struttura elettronica da cui vengono costruiti i modelli di impurezza correlata. I solutori quantistici per le impurezze fornirebbero le funzioni di Green dell’impurezza a temperatura finita richieste dall’embedding. Le difficoltà computazionali che i solutori classici potrebbero incontrare al crescere dello spazio attivo interagente, insieme alla scalabilità polinomiale della simulazione quantistica dell’Hamiltoniana per modelli discretizzati rappresentati in modo efficiente, aprono la possibilità di un vantaggio quantistico. Individuiamo i benchmark necessari per valutare questa possibilità attraverso la convergenza delle energie associate alle vacanze e alla migrazione e il confronto con i migliori solutori classici applicabili. Forniamo conteggi indicativi dei qubit logici e individuiamo i costi della preparazione dello stato termico, della simulazione, della misurazione e delle risoluzioni ripetute necessari per una valutazione completa delle risorse. Colleghiamo le osservabili microscopiche agli indicatori ingegneristici macroscopici mediante un modello continuo per gli elettrodi dell’ossigeno a conduzione mista ionica ed elettronica, che accoppia lo scambio di ossigeno alla superficie, il trasporto di ossigeno allo stato solido, la microstruttura dell’elettrodo e lo spessore finito dell’elettrodo. Infine, stimiamo il potenziale valore commerciale a livello mondiale di materiali migliori per gli elettrodi in scenari di diffusione delle SOFC e delle SOEC basati su obiettivi tecnici pubblici e dati sulla diffusione degli elettrolizzatori.