QMC -simuleringer afslører magnetiske egenskaber ved titaniumoxidmateriale

Ved at køre beregningsmæssigt intensive kvante Monte Carlo -simuleringer på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, forskere har demonstreret evnen til nøjagtigt at beregne de magnetiske egenskaber af et titaniumoxidmateriale, der udviser nyttige egenskaber til vedvarende energi og computingsteknologier.

Dit hus er sandsynligvis fyldt med titandioxid (TiO2), fra malingen på dine vægge, til solcreme og tandpasta på dit badeværelse, til papirerne på dit skrivebord. Et strålende hvidt pulver, titandioxid er et overgangsmetaloxid, der har mange gunstige egenskaber, herunder optiske og katalytiske.

"Titaniumoxider er alsidige overgangsmetalforbindelser, der kan bruges til en række applikationer, herunder elektronisk udstyr og fotokatalyse, "sagde Olle Heinonen, materialeforsker ved Argonne National Laboratory.

Selvom titandioxid kan være det mest kendte titaniumoxidmateriale, et af dets derivater, Ti ₄ O ₇ , er et andet materiale af interesse på grund af dets potentielle anvendelser i resistive hukommelser og oxidbaserede brændselscelleelektroder. For at undersøge sådanne applikationer, forskere har brug for bedre at forstå dets elektroniske og magnetiske egenskaber.

Med Miras beregningskraft, ALCF's 10-petaflops IBM Blue Gene/Q-supercomputer, forskere har, for første gang, nøjagtigt beregnet de magnetiske egenskaber af Ti ₄ O ₇ med kvante Monte Carlo (QMC) simuleringer.

Holdets resultater, udgivet i Fysisk kemi Kemisk fysik , afsløre Ti ₄ O ₇ grundtilstand - materialets egenskaber ved den lavest mulige energitilstand. Ved nøjagtig beregning af grundtilstanden, forskere er i stand til at bestemme eller udlede mange vigtige materialegenskaber, såsom krystalstruktur, ledningsevne, og magnetisme.

"Beregning af grundtilstanden er afgørende for beregningsmæssige forudsigelser af et materiales adfærd under realistiske forhold, hvor temperatur, tryk, og tiden kan ændre dens struktur, "sagde Anouar Benali, ALCF beregningsforsker og hovedforfatter af undersøgelsen.

Fordi Ti ₄ O ₇ har flere magnetiske tilstande tæt på energi, forskere var tidligere ikke i stand til endegyldigt at bestemme grundtilstanden ved hjælp af eksperimenter eller andre beregningsmetoder, såsom densitet funktionel teori (DFT). Imidlertid, med adgang til Mira, forskergruppen var i stand til at udføre QMC-beregninger, der hjalp med at løse den mangeårige usikkerhed med Ti ₄ O ₇ ved at identificere de tre magnetiske faser, der kompromitterer materialets jordtilstand.

Selvom QMC kræver så meget som 1, 000 gange computerkraften ved en typisk DFT -beregning, metoden er i stand til nøjagtigt at beregne de komplekse interaktioner mellem mange elektroner. På grund af dets beregningsomkostninger, QMC -simuleringer var engang begrænset til modelleringssystemer for små atomer eller molekyler, men fremkomsten af ​​supercomputere som Mira har nu gjort det muligt at bruge QMC til stringente beregninger på mere komplicerede materialer.

For Ti ₄ O ₇ undersøgelse, forskere brugte QMCPACK -applikationen udviklet af Argonne, Oak Ridge, Sandia, og Lawrence Livermore nationale laboratorier. Ved at omskrive de mest beregningsintensive dele af QMCPACK ved hjælp af kompilerspecifikke udvidelser (kaldet vector intrinsics) for bedre at udnytte IBM Blue Gene/Q -processoren, ALCF -beregningsforskere, herunder Benali, Ye Luo, og Vitali Morozov, var i stand til at forbedre QMCPACK -ydelsen på Mira med 30 procent. Derudover ved at omskrive kode til at bruge enkelt præcision i stedet for dobbelt præcision i vigtige datastrukturer, de reducerede mængden af ​​data, der skulle gemmes i hukommelsen med 45 procent.

"Disse kodeforbedringer tillod os at studere større elektroniske systemer på kortere tid, "Sagde Benali.