Ultrafast Physics from molecules to nanostructures

El impresionante progreso de la tecnología láser ultrarrápida, que va desde la escala de tiempo del femtosegundo al attosegundo y desde la gama de frecuencia de THz a la de XUV, está haciendo posible probar la dinámica electrónica y nuclear en tiempo real en átomos, moléculas y sólidos[1]. Se puede obtener una visión fundamental de los procesos primarios fotoinducidos en sistemas con un nivel creciente de complejidad[2]. La capacidad de seguir y dirigir dinámicas ultrarrápidas tiene un impacto enorme en una amplia gama de aplicaciones, desde la ciencia de los materiales[3] hasta las ciencias de la vida.

Claramente, los avances realizados en el ámbito de las teorías y los métodos para modelar procesos ultrarrápidos requieren inevitablemente un intenso intercambio con la comunidad experimental debido a la complejidad de los sistemas y de las mediciones. En la última década, el esfuerzo por desarrollar métodos predictivos y computacionalmente viables prácticamente ha estallado. Los enfoques ab initio basados en DFT y la función de no equilibrio de Green (NEGF)[4] han entrado en contacto recientemente con experimentos resueltos en sistemas 2D y nanoestructuras. Otros métodos ab initio basados en funciones de onda (por ejemplo, ADCn, CASPTn) o en cantidades reducidas (por ejemplo, TDDFT, NEGF) para modelar procesos ultrarrápidos permiten acceder a la dinámica electrónica y nuclear de subfemtosegundos en moléculas. Además, se han propuesto métodos numéricos precisos en tiempo real para sistemas de modelos fuertemente correlacionados (por ejemplo, TD- DMFT y DMRG). Este taller reunirá a los mejores expertos mundiales en el ámbito de la teoría y los experimentos, lo que permitirá una fertilización cruzada que brindará la oportunidad de avanzar en el estado del arte de los métodos ab-initio. De hecho, el rápido desarrollo de las técnicas experimentales no ha ido seguido de una integración simultánea con la comunidad computacional ab-initio. El resultado es una escasa disponibilidad de herramientas numéricas para sistemas cruciales de interés tecnológico o fundamental, por ejemplo, biomoléculas, grandes nanoestructuras y materiales con aplicación tecnológica. Uno de los retos clave es, por tanto, ampliar el campo de aplicación de los códigos de la ciencia de los materiales y de la química para el estudio de las propiedades fuera de equilibrio.

Para ello, es fundamental que los científicos experimentales, teóricos y computacionales se reúnan y debatan sobre cuestiones cruciales como: ¿Cómo ampliar la precisión de los métodos ab-initio fuera del equilibrio? ¿Cómo beneficiarse de forma eficiente de los avances en las instalaciones de computación para simular la dinámica de no equilibrio de materiales complejos? ¿Cómo traducir las características del pulso láser a condiciones límite y aproximaciones adecuadas para las herramientas computacionales? ¿Podemos diseñar una serie de herramientas y procedimientos para proporcionar a la comunidad?