Fortaler for et nyt paradigme for elektronsimuleringer

Selvom de fleste grundlæggende matematiske ligninger, der beskriver elektroniske strukturer, er kendt længe, ​​er de for komplekse til at kunne løses i praksis. Dette har hæmmet fremskridt inden for fysik, kemi og materialevidenskab. Takket være moderne højtydende computerklynger og etableringen af ​​simulationsmetoden density functional theory (DFT), var forskere i stand til at ændre denne situation. Men selv med disse værktøjer er de modellerede processer i mange tilfælde stadig drastisk forenklet. Nu er det lykkedes fysikere ved Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) og Institute of Radiation Physics ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) at forbedre DFT-metoden markant. Dette åbner op for nye muligheder for eksperimenter med ultrahøj intensitet lasere, som gruppen forklarer i Journal of Chemical Theory and Computation .

I den nye publikation påtager Young Investigator Group Leader Dr. Tobias Dornheim, hovedforfatter Dr. Zhandos Moldabekov (begge CASUS, HZDR) og Dr. Jan Vorberger (Institute of Radiation Physics, HZDR) en af ​​vor tids mest fundamentale udfordringer :præcist beskriver, hvordan milliarder af kvantepartikler såsom elektroner interagerer. Disse såkaldte kvante-mangekropssystemer er kernen i mange forskningsfelter inden for fysik, kemi, materialevidenskab og beslægtede discipliner. Faktisk er de fleste materialeegenskaber bestemt af den komplekse kvantemekaniske opførsel af interagerende elektroner. Mens de fundamentale matematiske ligninger, der beskriver elektroniske strukturer, i princippet er kendt længe, ​​er de for komplekse til at kunne løses i praksis. Derfor er den faktiske forståelse af kunstfærdigt designede materialer forblevet meget begrænset.

Denne utilfredsstillende situation har ændret sig med fremkomsten af ​​moderne højtydende computerklynger, hvilket har givet anledning til det nye felt af beregningskvante mange-legeme teori. Her er et særligt vellykket værktøj densitetsfunktionsteori (DFT), som har givet hidtil uset indsigt i materialers egenskaber. DFT betragtes i øjeblikket som en af ​​de vigtigste simuleringsmetoder inden for fysik, kemi og materialevidenskab. Den er især dygtig til at beskrive mange-elektronsystemer. Faktisk er antallet af videnskabelige publikationer baseret på DFT-beregninger steget eksponentielt i løbet af det sidste årti, og virksomheder har brugt metoden til succesfuldt at beregne materialers egenskaber så nøjagtige som aldrig før.

Overvindelse af en drastisk forenkling

Mange sådanne egenskaber, der kan beregnes ved hjælp af DFT, opnås inden for rammerne af lineær responsteori. Dette koncept bruges også i mange eksperimenter, hvor den (lineære) reaktion af systemet af interesse på en ekstern forstyrrelse, såsom en laser, måles. På denne måde kan systemet diagnosticeres, og væsentlige parametre som tæthed eller temperatur kan opnås. Lineær responsteori gør ofte eksperimenter og teori mulige i første omgang og er næsten allestedsnærværende i fysik og relaterede discipliner. Det er dog stadig en drastisk forenkling af processerne og en stærk begrænsning.

I deres seneste publikation bryder forskerne ny vej ved at udvide DFT-metoden ud over det forenklede lineære regime. Således kan ikke-lineære effekter i mængder som tæthedsbølger, stopkraft og strukturfaktorer beregnes og sammenlignes med eksperimentelle resultater fra virkelige materialer for første gang.

Før denne publikation blev disse ikke-lineære effekter kun gengivet ved hjælp af et sæt omfattende beregningsmetoder, nemlig kvante Monte Carlo-simuleringer. Selvom den leverer nøjagtige resultater, er denne metode begrænset til begrænsede systemparametre, da den kræver meget regnekraft. Derfor har der været et stort behov for hurtigere simuleringsmetoder.

"DFT-tilgangen, vi præsenterer i vores papir, er 1.000 til 10.000 gange hurtigere end kvante-Monte Carlo-beregninger," siger Zhandos Moldabekov. "Desuden var vi i stand til at demonstrere på tværs af temperaturregimer, der spænder fra omgivende til ekstreme forhold, at dette ikke går på bekostning af nøjagtigheden. Den DFT-baserede metodik af kvante-korrelerede elektroners ikke-lineære responsegenskaber åbner op for den lokkende mulighed. at studere nye ikke-lineære fænomener i komplekse materialer."

Flere muligheder for moderne frie elektronlasere

"Vi ser, at vores nye metode passer meget godt til mulighederne i moderne eksperimentelle faciliteter som Helmholtz International Beamline for Extreme Fields, som er samarbejdet af HZDR og først gik i drift for nylig," forklarer Jan Vorberger. "Med højeffektlasere og frie elektronlasere kan vi skabe præcis disse ikke-lineære excitationer, vi nu kan studere teoretisk og undersøge dem med hidtil uset tidsmæssig og rumlig opløsning. Teoretiske og eksperimentelle værktøjer er klar til at studere nye effekter i stof under ekstreme forhold, der har ikke været tilgængelig før."

"Dette papir er et godt eksempel til at illustrere den retning, min nyligt etablerede gruppe er på vej mod," siger Tobias Dornheim, der leder Young Investigator Group "Grænser for Computational Quantum Many-Body Theory" installeret i begyndelsen af ​​2022. "Vi har hovedsageligt været aktive. i fysiksamfundet med høj energitæthed i de seneste år. Nu er vi dedikerede til at skubbe videnskabens grænser ved at levere beregningsmæssige løsninger på kvante-mangekropsproblemer i mange forskellige sammenhænge. Vi mener, at det nuværende fremskridt inden for elektronisk strukturteori vil være nyttig for forskere inden for en række forskningsfelter." + Udforsk yderligere

Kollektiv kvanteeffekt:Når elektroner holder sammen