Udnyttelse af symmetrier:Fremskynder beregningsstudiet af solide løsninger

Symmetri er et udbredt træk i naturen på alle skalaer. For eksempel kan vores blotte øjne nemt identificere symmetrier i kropsformen af ​​utallige organismer. Symmetri er også meget vigtig inden for fysik og kemi, især i det mikroskopiske område af atomer og molekyler. Krystaller, som er højt ordnede materialer, kan endda have flere typer symmetri på samme tid, såsom rotationssymmetri, inversionssymmetri og translationssymmetri.

På det seneste, sideløbende med hurtige fremskridt inden for datalogi, har forskere udviklet beregningsmetoder, der søger at forudsige de fysiske egenskaber af krystaller baseret på deres elektroniske struktur. I praksis bruges rene og perfekt symmetriske krystaller dog sjældent. Dette skyldes, at en krystals egenskaber kan indstilles som ønsket ved at legere dem med andre materialer eller tilfældigt erstatte visse atomer med andre grundstoffer, dvs. doping.

Derfor søger materialeforskere beregningseffektive tilgange til at analysere sådanne legeringer og substituerede krystaller, også kendt som faste løsninger. "Supercellemetoden" er en sådan tilgang og bruges i vid udstrækning til at modellere krystalstrukturer med tilfældige substitutioner af forskellige atomer. Symmetrien af ​​krystaller er dog faktisk et problem, når man bruger denne teknik. I krystaller kan der være mange substitutionsmønstre, der fysisk svarer til andre substitutioner, hvis vi blot oversætter eller roterer dem. Fund af disse symmetriske substitutionsmønstre er ikke særlig meningsfulde, og derfor er deres beregning ved brug af supercellemetoden spild af tid.

I en nylig undersøgelse fandt et team af forskere ledet af adjunkt Kousuke Nakano fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en løsning på dette problem. De udviklede en open source-software kaldet "Suite for High-throughput generation of models with atomic substitutions implemented by Python," eller SHRY, der med hensyn til symmetri kan generere distinkte substitutionsmønstre i solide løsninger og legeringer. Dette arbejde, som blev offentliggjort i Journal of Chemical Information and Modeling , var medforfatter af ph.d.-studerende Genki I. Prayogo, Dr. Andrea Tirelli, Professor Ryo Maezono og lektor Kenta Hongo.

Holdet nærmede sig problemet fra gruppeteoriens vinkel. Det viser sig, at søgning efter atomære substitutionsmønstre i krystaller er analog med problemet med at finde farvemønstre på grafernes hjørner under visse begrænsninger. Dette gør det muligt at omformulere det oprindelige problem med at finde ikke-symmetriske atomsubstitutioner i krystaller som at udforske søgetræer, der afbilder farven af ​​toppunkter i grafer.

Den måde, som søgetræet udforskes på, er dog afgørende. En enkel, naiv tilgang, hvor alle mulige grene søges og sammenlignes direkte, er umulig; den nødvendige tid og beregninger vokser ukontrolleret for store systemer. Dette sker, fordi beslutningen om, hvorvidt der skal udforskes længere nede i en filial, kræver oplysninger om alle andre filialer udover den, der udforskes, hvilket teknisk omtales som "ikke-lokal information."

For at undgå dette problem implementerede forskerne i SHRY en teknik kaldet kanonisk augmentation. "Denne metode kan afgøre, om en trægren skal udforskes dybere eller ej udelukkende baseret på lokal information," forklarer Dr. Nakano, "Vigtigst af alt garanterer teoremer fra gruppeteori, at kun distinkte substitutionsmønstre vil blive ekstraheret, uden over- eller underudforsker træstrukturen med hensyn til symmetri." Holdet bekræftede, at deres algoritme var fejlfri ved at teste den grundigt med data fra en database med krystalstrukturer.

Det er værd at bemærke, at SHRY blev skrevet i Python 3, et af de mest populære programmeringssprog på tværs af platforme, og uploadet til GitHub, en førende online platform for projektdeling. "SHRY kan bruges som et selvstændigt program eller importeres til et andet Python-program som et modul," fremhæver Dr. Nakano, "Vores software bruger også det bredt understøttede Crystallographic Information File (CIF) format til både input og output af sæt af substituerede krystalstrukturer." Holdet planlægger at blive ved med at forbedre SHRYs kode baseret på feedback fra andre brugere, hvilket øger dens hastighed og muligheder.

Samlet set kunne softwaren udviklet i denne undersøgelse hjælpe forskere med at identificere potentielle atomære substitutioner i faste stoffer, hvilket er den mest almindelige strategi, der bruges til at justere materialers egenskaber til praktiske anvendelser. SHRY vil hjælpe med at fremskynde forskning og udvikle substituerede krystaller med hidtil usete funktionaliteter og overlegne egenskaber. + Udforsk yderligere

Hyperpoliske forskydningspolaritoner i lavsymmetriske krystaller