Supercomputing hjælper med at studere todimensionelle materialer

Materialeforskere studerer og forstår fysikken i interagerende atomer i faste stoffer for at finde måder at forbedre materialer, vi bruger i alle aspekter af dagligdagen. Grænsen for denne forskning ligger ikke i forsøg og fejl, selvom; for bedre at forstå og forbedre materialer i dag, forskere skal kunne studere materialeegenskaber på atomare skala og under ekstreme forhold. Som resultat, forskere er i stigende grad kommet til at stole på simuleringer for at supplere eller informere eksperimenter i materialers egenskaber og adfærd.

Et team af forskere ledet af Dr. Arkady Krasheninnikov, fysiker ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, samarbejder med eksperimentalister for at besvare grundlæggende spørgsmål om materialeegenskaber, og holdet rapporterede for nylig om et gennembrud - eksperimentalisterne var i stand til i realtid at observere lithium-atomernes opførsel, når de blev placeret mellem to grafenplader. Et grafenark er et 2D-materiale, da det kun er et atom tykt, som gjorde det muligt at observere lithium-atomets bevægelse i transmissionselektronmikroskopi (TEM) eksperimenter.

Med adgang til supercomputing-ressourcer på Gauss Center of Supercomputing (GCS), Krasheninnikovs team brugte High-Performance Computing Center Stuttgarts (HLRS) Hazel Hen supercomputer til at simulere, bekræfte og uddybe holdets eksperimentelle resultater. Samarbejdsarbejdet blev for nylig offentliggjort i Natur .

"Todimensionelle materialer udviser nyttige og spændende egenskaber, og kan bruges til mange applikationer, ikke kun som support i TEM, " siger Krasheninnikov. "I bund og grund, 2D-materialer er på forkant med materialeforskning. Der er sandsynligvis omkring et par tusinde af disse materialer, og omkring 50 er faktisk blevet lavet."

Under mikroskopet

For bedre at forstå 2-D materialer eksperimentelt, forskere bruger rutinemæssigt TEM. Metoden giver dem mulighed for at suspendere små, tynde stykker af et materiale og føre en højenergielektronstråle hen over det, i sidste ende skabe et forstørret billede af det materiale, som forskere kan studere, ligesom en filmprojektor tager billeder fra en rulle og projicerer dem på en større skærm. Med dette syn på et materiale, eksperimentalister kan bedre kortlægge og estimere atomers positioner og arrangementer.

Højenergistrålen kan mere end bare hjælpe forskere med at observere materialer, dog - det er også et værktøj til at studere de elektroniske egenskaber af 2-D materialer. I øvrigt, forskere kan bruge højenergielektronerne fra TEM til at slå individuelle atomer ud fra et materiale med høj præcision for at se, hvordan materialets adfærd ændrer sig baseret på den strukturelle ændring.

For nylig, eksperimentalister fra Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart og University of Ulm ønskede bedre at forstå, hvordan lithiumpartikler interagerer mellem to atomtynde grafenplader. Bedre forståelse af lithium interkalation, eller anbringelse af lithium mellem lag af et andet materiale (i dette tilfælde, grafen), hjælper forskere med at udvikle bedre batteriteknologier. Eksperimentalister indhentede data fra TEM og bad Krasheninnikov og hans samarbejdspartnere om at rationalisere eksperimentet ved hjælp af simulering.

Simuleringer giver forskere mulighed for at se et materiales atomare struktur fra en række forskellige vinkler, og de kan også fremskynde trial-and-error-tilgangen til at designe nye materialer udelukkende gennem eksperimenter. "Simuleringer kan ikke gøre det fulde arbejde, men de kan virkelig begrænse antallet af mulige varianter, og vise retningen, hvilken vej du skal gå, " siger Krasheninnikov. "Simuleringer sparer penge for folk, der arbejder inden for grundforskning og industri, og som et resultat, computermodellering bliver mere og mere populær."

I dette tilfælde, Krasheninnikov og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at eksperimentalisternes atomkoordinater, eller positionerne af partikler i materialet, ville ikke være stabil, hvilket betyder, at materialet ville trodse kvantemekanikkens love. Ved hjælp af simuleringsdata, Krasheninnikov og hans samarbejdspartnere foreslog en anden atomstruktur, og da holdet kørte sit eksperiment igen, det fandt et perfekt match med simuleringen.

"Nogle gange behøver man ikke rigtig høj teori for at forstå atomstrukturen baseret på eksperimentelle resultater, men andre gange er det virkelig umuligt at forstå strukturen uden nøjagtige beregningsmetoder, der går hånd i hånd med eksperimentet, " siger Krasheninnikov.

For første gang, eksperimentalisterne så i realtid, hvordan lithiumatomer opfører sig, når de placeres mellem to grafenplader, og ved hjælp af simuleringer, fik indsigt i, hvordan atomerne var arrangeret. Det var tidligere antaget, at i en sådan ordning, lithium ville være struktureret som et enkelt atomlag, men simuleringen viste, at lithium kunne danne to- eller trelag, i det mindste i to-lags grafen, førende forskere til at lede efter nye måder at forbedre batterieffektiviteten på.

Holdet kørte effektivt første-princippet simuleringer af 1, 000-atom systemer over perioder for at observere kortsigtede (nanosekunders tidsskala) materialeinteraktioner. Større kernetal på næste generations supercomputere vil give forskere mulighed for at inkludere flere atomer i deres simuleringer, hvilket betyder, at de kan modellere mere realistiske og meningsfulde udsnit af det pågældende materiale.

Jo større udfordring, ifølge Krasheninnikov, relaterer sig til, hvor længe forskere kan simulere materialeinteraktioner. For at studere fænomener, der sker over længere perioder, såsom hvordan stress kan dannes og udbrede en revne i metal, for eksempel, forskere skal være i stand til at simulere minutter eller endda timer for at se, hvordan materialet ændrer sig. Det sagt, forskere skal også tage ekstremt små tidstrin i deres simuleringer for nøjagtigt at modellere de ultrahurtige atomare interaktioner. Blot at bruge flere computerkerner gør det muligt for forskere at foretage beregninger for større systemer hurtigere, men kan ikke få hvert tidstrin til at gå hurtigere, hvis en vis paralleliseringstærskel er nået.

At bryde denne blokering vil kræve, at forskere omarbejde algoritmer for at beregne mere effektivt hvert tidstrin på tværs af et stort antal kerner. Krasheninnikov indikerede også, at design af koder baseret på kvanteberegning kunne muliggøre simuleringer, der er i stand til at observere materielle fænomener, der sker over længere perioder - kvantecomputere kan være perfekte til at simulere kvantefænomener. Uanset hvilken retning forskerne tager, Krasheninnikov bemærkede, at adgang til supercomputing-ressourcer gennem GCS og PRACE gør det muligt for ham og hans team at gøre løbende fremskridt. "Vores team kan ikke lave god forskning uden gode computerressourcer, " han sagde.