UncategorizedSusținerea unei noi paradigme pentru simulările electronice

Susținerea unei noi paradigme pentru simulările electronice

Fundamentele teoretice extinse se întâlnesc cu noi instrumente experimentale, cum ar fi cele găsite la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF). Împreună, pot fi acum investigate efecte care anterior erau inaccesibile.

Deși majoritatea ecuațiilor matematice fundamentale care descriu structurile electronice sunt cunoscute de mult timp, acestea sunt prea complexe pentru a fi rezolvate în practică. Acest lucru a împiedicat progresul în fizică, chimie și științele materialelor.

Datorită clusterelor moderne de calcul de înaltă performanță și a stabilirii metodei de simulare teoria funcțională a densității (DFT), cercetătorii au reușit să schimbe această situație. Cu toate acestea, chiar și cu aceste instrumente, procesele modelate sunt, în multe cazuri, încă drastic simplificate.

Acum, fizicienii de la Centrul pentru Înțelegerea Sistemelor Avansate (CASUS) și de la Institutul de Fizică a Radiațiilor de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au reușit să îmbunătățească semnificativ metoda DFT. Acest lucru deschide noi posibilități pentru experimentele cu lasere de intensitate ultra-înaltă, după cum explică grupul în Journal of Chemical Theory and Computation.

În noua publicație, liderul grupului de tineri cercetători, Dr. Tobias Dornheim, autorul principal, Dr. Zhandos Moldabekov (ambii CASUS, HZDR) și Dr. Jan Vorberger (Institutul de Fizică a Radiației, HZDR) abordează una dintre cele mai fundamentale provocări ale timpului nostru: descrierea exactă a modului în care miliarde de particule cuantice, cum ar fi electronii, interacționează.

Aceste așa-numite sisteme cuantice cu multe corpuri se află în centrul multor domenii de cercetare din fizică, chimie, știința materialelor și discipline conexe.

Într-adevăr, majoritatea proprietăților materialelor sunt determinate de comportamentul mecanic cuantic complex al electronilor care interacționează. Deși ecuațiile matematice fundamentale care descriu structurile electronice sunt, în principiu, cunoscute de mult timp, ele sunt prea complexe pentru a fi rezolvate în practică. Prin urmare, înțelegerea reală a materialelor proiectate în mod elaborat a rămas foarte limitată.

Această situație nesatisfăcătoare s-a schimbat odată cu apariția clusterelor moderne de calcul de înaltă performanță, care a dat naștere noului domeniu al teoriei cuantice computaționale a multor corpuri. Aici, un instrument deosebit de reușit este teoria funcțională a densității (DFT), care a oferit o perspectivă fără precedent asupra proprietăților materialelor.

În prezent, DFT este considerată una dintre cele mai importante metode de simulare în fizică, chimie și științele materialelor. Ea este deosebit de pricepută în descrierea sistemelor cu mulți electroni. Într-adevăr, numărul de publicații științifice bazate pe calcule DFT a crescut exponențial în ultimul deceniu, iar companiile au folosit metoda pentru a calcula cu succes proprietățile materialelor cu o acuratețe fără precedent.

Overcoming a drastic simplification

Multe dintre aceste proprietăți care pot fi calculate cu ajutorul DFT sunt obținute în cadrul teoriei răspunsului liniar. Acest concept este, de asemenea, utilizat în multe experimente în care se măsoară răspunsul (liniar) al sistemului de interes la o perturbație externă, cum ar fi un laser. În acest fel, sistemul poate fi diagnosticat și pot fi obținuți parametri esențiali precum densitatea sau temperatura.

Teoria răspunsului liniar face deseori fezabile în primul rând experimentul și teoria și este aproape omniprezentă în fizică și în disciplinele conexe. Cu toate acestea, ea reprezintă totuși o simplificare drastică a proceselor și o limitare puternică.

În ultima lor publicație, cercetătorii deschid noi drumuri prin extinderea metodei DFT dincolo de regimul liniar simplificat. Astfel, efectele neliniare în cantități precum undele de densitate, puterea de oprire și factorii de structură pot fi calculate și comparate pentru prima dată cu rezultatele experimentale din materiale reale.

Înainte de această publicație, aceste efecte neliniare au fost reproduse doar printr-un set de metode de calcul elaborate, și anume, simulările cuantice Monte Carlo. Deși oferă rezultate exacte, această metodă este limitată la parametri de sistem constrânși, deoarece necesită multă putere de calcul. Prin urmare, a existat o mare nevoie de metode de simulare mai rapide.

“Abordarea DFT pe care o prezentăm în lucrarea noastră este de 1.000 până la 10.000 de ori mai rapidă decât calculele Monte Carlo cuantice”, spune Zhandos Moldabekov. “În plus, am reușit să demonstrăm, în regimuri de temperatură care variază de la condiții ambientale la condiții extreme, că acest lucru nu vine în detrimentul acurateței.

Metodologia bazată pe DFT a caracteristicilor de răspuns neliniar ale electronilor corelați cuantic deschide posibilitatea seducătoare de a studia noi fenomene neliniare în materiale complexe.”

Mai multe oportunități pentru laserele moderne cu electroni liberi

“Vedem că noua noastră metodologie se potrivește foarte bine cu capacitățile instalațiilor experimentale moderne, cum ar fi Helmholtz International Beamline for Extreme Fields, care este cooperat de HZDR și a intrat în funcțiune doar recent”, explică Jan Vorberger.

“Cu ajutorul laserelor de mare putere și al laserelor cu electroni liberi putem crea exact aceste excitații neliniare pe care acum le putem studia teoretic și le putem examina cu o rezoluție temporală și spațială fără precedent. Instrumentele teoretice și experimentale sunt pregătite pentru a studia noi efecte în materie în condiții extreme care nu au fost accesibile până acum.”

“Această lucrare este un exemplu excelent pentru a ilustra direcția în care se îndreaptă grupul meu recent înființat”, spune Tobias Dornheim, care conduce grupul de tineri cercetători “Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory”, instalat la începutul anului 2022.

“În ultimii ani, am fost activi în principal în comunitatea de fizică a densității de înaltă energie. Acum, suntem dedicați să împingem frontierele științei prin furnizarea de soluții computaționale la problemele cuantic many-body în multe contexte diferite. Credem că avansul actual în teoria structurii electronice va fi util pentru cercetătorii din mai multe domenii de cercetare.”

More information: Zhandos Moldabekov et al, Density Functional Theory Perspective on the Nonlinear Response of Correlated Electrons across Temperature Regimes, Journal of Chemical Theory and Computation (2022). DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00012

Citation: Susținerea unei noi paradigme pentru simulările electronice (2022, 1 iulie) recuperat la 3 iulie 2022 de la https://phys.org/news/2022-07-advocating-paradigm-electron-simulations.html

Acest document face obiectul drepturilor de autor. În afară de orice utilizare echitabilă în scopul studiului sau cercetării private, nu se poate face nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este furnizat doar în scop informativ.

Urmărește-ne și pe:

LĂSAȚI UN MESAJ

Vă rugăm să introduceți comentariul dvs.!
Introduceți aici numele dvs.

Acces la conținut Premium 100% Gratuit

OBȚINEȚI ACCES COMPLET ȘI EXCLUSIV LA CONȚINUTUL PREMIUM

SUSȚINEȚI JURNALISMUL NONPROFIT

ANALIZA DE SPECIALITATE ȘI TENDINȚELE EMERGENTE ÎN DOMENII DE INTERES

WEBINARE VIDEO DE ACTUALITATE

Obțineți acces nelimitat la conținutul nostru EXCLUSIV și la arhiva noastră de povești ale abonaților.

- Advertisement -

Conținut exclusiv

- Advertisement -

Ultimele articole

- Advertisement -

Mai multe articole