Matematisk værktøj hjælper med at beregne egenskaber af kvantematerialer hurtigere

Mange kvantematerialer har været næsten umulige at simulere matematisk, fordi den krævede beregningstid er for lang. Nu, en fælles forskningsgruppe ved Freie Universität Berlin og Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Tyskland) har vist en måde at reducere computertiden betydeligt. Dette kan fremskynde udviklingen af ​​materialer til fremtidens energieffektive IT-teknologier.

Supercomputere er afgørende for at undersøge komplekse forskningsproblemer. I princippet, selv nye materialer kan simuleres i computere for at beregne deres magnetiske og termiske egenskaber samt deres faseovergange. Guldstandarden for denne form for modellering er kendt som kvante Monte Carlo -metoden.

Bølge-partikel dualisme

Imidlertid, denne metode har et iboende problem:På grund af den fysiske bølge-partikel dualisme af kvantesystemer, hver partikel i en faststofforbindelse besidder ikke kun partikelignende egenskaber, såsom masse og momentum, men også bølgelignende egenskaber som f.eks. fase. Interferens får "bølgerne" til at ligge over hinanden, så de enten forstærker (tilføjer) eller annullerer (trækker) hinanden lokalt. Dette gør beregningerne ekstremt komplekse. Det henvises til tegnproblemet med kvante Monte Carlo -metoden.

Minimering af problemet

"Beregningen af ​​kvantematerialeegenskaber koster omkring en million timers CPU på mainframe -computere hver dag, "siger professor Jens Eisert, der leder den fælles forskningsgruppe ved Freie Universität Berlin og HZB. "Dette er en meget betydelig del af den samlede tilgængelige computetid." Sammen med sit team, den teoretiske fysiker har nu udviklet en matematisk procedure, hvorved beregningsomkostningerne ved tegnproblemet kan reduceres kraftigt. "Vi viser, at solid-state systemer kan ses fra meget forskellige perspektiver. Tegnproblemet spiller en anden rolle i disse forskellige perspektiver. Det er derefter et spørgsmål om at håndtere solid-state systemet på en sådan måde, at tegnproblemet er minimeret, "forklarer Dominik Hangleiter, første forfatter til undersøgelsen, der nu er blevet offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Fra simple spin -systemer til mere komplekse

For simple solid-state systemer med spins, som danner såkaldte Heisenberg -stiger, denne tilgang har gjort det muligt for teamet at reducere beregningstiden for tegnproblemet betydeligt. Imidlertid, det matematiske værktøj kan også anvendes på mere komplekse spin -systemer og lover hurtigere beregning af deres egenskaber.

"Dette giver os en ny metode til accelereret udvikling af materialer med særlige spin -egenskaber, "siger Eisert. Disse typer materialer kan finde anvendelse i fremtidige it -teknologier, hvortil data skal behandles og lagres med betydeligt mindre energiforbrug.