Kymmenientuhansien elektronien reaaliaikainen simulointi

Oak Ridge National Laboratoryn tutkimusryhmä on yhteistyössä North Carolina State Universityn kanssa kehittänyt simulaation, joka pystyy ennustamaan kymmenien tuhansien elektronien liikkumisen materiaaleissa reaaliajassa eli luonnollisessa ajassa laskennallisen ajan sijaan.

Tutkijaryhmä kehitti Oak Ridgen maailman ensimmäisenä eksaskaalan esteen rikkoneen Frontier-supertietokoneen avulla reaaliaikaisen, ajasta riippuvan tiheysfunktionaaliteorian eli RT-TDDFT:n avoimen lähdekoodin Real-space Multigrid- eli RMG-koodin sisällä jopa 24 000 elektronin järjestelmien mallintamiseen.

Reaaliaikainen, ajasta riippuva kuvaa aaltofunktion tai kvanttimekaanisen ominaisuuden reaaliaikaista kehitystä. 24 000 elektronia on suunnilleen samankokoinen kuin 4 000 hiiliatomin tai 2 400 vesimolekyylin käsittely kaikkien niiden elektronien aikakehityksen perusteella.

Tämä ORNL:n Jacek Jakowskin ja Panchapakesan Ganeshin johtama tutkimus on elintärkeää uusien teknologioiden, kuten edistyneiden aurinkosähkökennojen ja kehittyvien tietojärjestelmien, suunnittelussa.

"Havainnoimalla suoraan tuhansia elektroneja reaaliajassa saamme tehokkaita näkemyksiä siitä, miten materiaalit reagoivat kvanttitasolla", Jakowski sanoi.

Metalliset nanopartikkelit eli metallit, joiden mitat ovat 1–100 nanometrin välillä, omaavat ainutlaatuisia optisia ominaisuuksia, jotka johtuvat siitä, miten tuhannet näiden metallien elektronit vuorovaikuttavat tulevan valon kanssa. On ratkaisevan tärkeää, että tutkijat ymmärtävät, miten nämä elektronit liikkuvat erilaisissa olosuhteissa, jotta näitä uusia teknologioita voidaan edistää.

Näiden teknologioiden eteenpäin viemisen haasteena on ollut näiden ultranopeiden elektronidynamiikan tallentaminen realistisiin nanomittakaavan materiaaleihin tai materiaaleihin, joissa ainakin yksi ulottuvuus on nanometrien mittakaavassa.

Tämä saavutus mahdollistaa uusien materiaalien suunnittelun, joilla on viritettävät optiset, elektroniset ja magneettiset ominaisuudet, ja avaa oven uusille innovaatioille optisissa ja kvantti-informaatiolaitteissa.

RT-TDDFT on kvanttimekaaninen menetelmä, jonka avulla tutkijat voivat simuloida elektronien liikkumista ja vuorovaikutusta materiaaleissa ajan kuluessa, kun ne ovat saaneet ulkoisen ärsykkeen. Se toimii laskemalla, miten materiaalien elektronitiheys muuttuu esimerkiksi sähkö- ja sähkömagneettisten kenttien (eli valon) vaikutuksesta.

”Ajattele sitä kuin katsoisit hidastettua toistoa kaikista pienen metallikappaleen elektroneista, jotka reagoivat valonvälähdykseen, mutta uskomattoman yksityiskohtaisella kvanttitasolla”, Jakowski sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Molekylaarisen elektronisiirron kvanttisimulaatio

Uusi resepti kvanttisimuloinnille

Atomeista nykertäen