Beregningsværktøj til materialefysik vokser i popularitet

Et nyt stykke software udviklet hos Caltech gør det nemmere at studere elektronernes adfærd i materialer - selv materialer, der er blevet forudsagt, men som endnu ikke eksisterer. Softwaren, kaldet Perturbo, vinder indpas blandt forskere.

Perturbo beregner på et kvanteniveau, hvordan elektroner interagerer og bevæger sig i et materiale, giver nyttige mikroskopiske detaljer om såkaldt elektrondynamik. Denne form for simulering giver forskere mulighed for at forudsige, hvor godt noget som et metal eller en halvleder vil lede elektricitet ved en given temperatur, eller hvordan elektronerne i et materiale vil reagere på lys, for eksempel. Softwaren har nu omkring 250 aktive brugere, siger Marco Bernardi, adjunkt i anvendt fysik og materialevidenskab. Perturbo blev udviklet af Bernardis laboratorium, i en teamindsats ledet af Bernardi og Jin-Jian Zhou, en tidligere postdoc, der nu er adjunkt ved Beijing Institute of Technology.

Perturbo kan modellere, hvordan elektroner, der bevæger sig gennem et materiale, interagerer med de atomer, der udgør materialet. Når elektronerne strømmer igennem, de kolliderer med disse atomer, som altid vibrerer. Måden disse kollisioner opstår på, og hvor ofte de forekommer, bestemmer et materiales elektriske egenskaber. De samme interaktioner styrer også opførselen af ​​materialer, der ophidser med lys, for eksempel i en solcelle eller i ultrahurtige spektroskopiske forsøg. Sidstnævnte undersøger bevægelsen af ​​elektroner og atomer på meget korte tidsskalaer (ned til en millionte milliardtedel af et sekund, et femtosekund), og Perturbo leverer nye beregningsværktøjer til at fortolke disse avancerede eksperimenter.

"Typisk, den vigtigste mekanisme, der begrænser transporten af ​​elektroner, er atombevægelse, eller såkaldte fononer, " siger Bernardi. "At være i stand til at beregne disse elektron-fonon-interaktioner gør disse undersøgelser af transport og ultrahurtig dynamik mulige, nøjagtig, og effektiv. Man kunne undersøge den mikroskopiske fysik af et stort antal forbindelser med denne metode og bruge den information til at konstruere bedre materialer."

Bernardi siger, at Perturbo repræsenterer et stort fremskridt på området, som tidligere mest har været afhængig af simple modeller baseret på eksperimenter i den virkelige verden.

"I 1980'erne, artikler, der studerede elektrisk transport i selv simple halvledere, indeholdt tabeller med snesevis af parametre til at beskrive elektroninteraktioner. Siden da har feltet ikke udviklet sig så meget, " han siger.

Den første version af Perturbo blev udgivet for lidt over et år siden, og det har støt fået brugere siden da. To virtuelle workshops afholdt af Bernardis gruppe sidste efterår har trænet hundredvis af nye brugere af Perturbo, herunder nogle fra forskningsgrupper på Caltech, siger Bernardi.

Perturbo blev designet til at køre på moderne supercomputere, Bernardi siger, og i et papir offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Computer Physics Communications, Perturbo-forskerholdet viser, at det er i stand til at køre effektivt på en computer med tusindvis af behandlingskerner. Den er også designet til fuldt ud at udnytte den næste generation af store computere, de såkaldte exascale supercomputere.

"I løbet af det næste årti, vi vil fortsætte med at udvide mulighederne i vores kode, og gør det til det foretrukne udgangspunkt for beregninger af elektrondynamik med de første principper, " siger Bernardi. "Vi er ekstremt ambitiøse i forhold til, hvad vi har i tankerne for denne kode. Den kan i øjeblikket undersøge både transportprocesser og ultrahurtig dynamik, men i fremtiden vil kodeegenskaberne og den type problemer, vi kan løse, fortsætte med at vokse."

Avisen, der beskriver Perturbo, med titlen, "Perturbo:En softwarepakke til ab initio elektron-fonon-interaktioner, ladetransport og ultrahurtig dynamik, " vises i Computer Physics Communications.