17:57 2022-07-01
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Susținerea unei noi paradigme pentru simulările electronice
_ Susținerea unei noi paradigme pentru electroni simulări
Deși majoritatea ecuațiilor matematice fundamentale care descriu structurile electronice sunt cunoscute de mult timp, ele sunt prea complexe pentru a fi rezolvate în practică. Acest lucru a împiedicat progresul în fizică, chimie și științe materiale. Datorită clusterelor moderne de calcul de înaltă performanță și stabilirii teoriei funcționale a densității metodei de simulare (DFT), cercetătorii au reușit să schimbe această situație. Cu toate acestea, chiar și cu aceste instrumente, procesele modelate sunt în multe cazuri încă simplificate drastic. Acum, fizicienii de la Centrul pentru Înțelegerea Sistemelor Avansate (CASUS) și Institutul de Fizică a Radiațiilor de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) au reușit să îmbunătățească semnificativ metoda DFT. Acest lucru deschide noi posibilități pentru experimente cu lasere de intensitate ultra-înaltă, așa cum explică grupul în Journal of Chemical Theory and Computation.
În noua publicație, Young Investigator Group Leader Dr. Tobias Dornheim, autorul principal Dr. Zhandos Moldabekov (ambele CASUS, HZDR) și dr. Jan Vorberger (Institutul de fizică a radiațiilor, HZDR) preiau una dintre cele mai fundamentale provocări ale timpului nostru: descriind cu exactitate modul în care interacționează miliarde de particule cuantice, cum ar fi electronii. Aceste așa-numite sisteme cuantice cu mai multe corpuri se află în centrul multor domenii de cercetare din fizică, chimie, știința materialelor și discipline conexe. Într-adevăr, majoritatea proprietăților materialelor sunt determinate de comportamentul mecanic cuantic complex al electronilor care interacționează. În timp ce ecuațiile matematice fundamentale care descriu structurile electronice sunt, în principiu, cunoscute de mult timp, ele sunt prea complexe pentru a fi rezolvate în practică. Prin urmare, înțelegerea reală a materialelor concepute elaborat a rămas foarte limitată.
Această situație nesatisfăcătoare s-a schimbat odată cu apariția clusterelor moderne de calcul de înaltă performanță, care a dat naștere noului domeniu al multor cuantice computaționale. teoria corpului. Aici, un instrument deosebit de de succes este teoria funcțională a densității (DFT), care a oferit perspective fără precedent asupra proprietăților materialelor. În prezent, DFT este considerată una dintre cele mai importante metode de simulare din fizică, chimie și științe materiale. Este deosebit de abil în descrierea sistemelor cu mulți electroni. Într-adevăr, numărul publicațiilor științifice bazate pe calculele DFT a crescut exponențial în ultimul deceniu și companiile au folosit metoda pentru a calcula cu succes proprietățile materialelor la fel de precise ca niciodată.
Depășirea unei simplificări drastice
p>
Multe astfel de proprietăți care pot fi calculate folosind DFT sunt obținute în cadrul teoriei răspunsului liniar. Acest concept este folosit și în multe experimente în care se măsoară răspunsul (liniar) al sistemului de interes la o perturbație externă, cum ar fi un laser. În acest fel, sistemul poate fi diagnosticat și pot fi obținuți parametri esențiali precum densitatea sau temperatura. Teoria răspunsului liniar face adesea ca experimentul și teoria să fie fezabile în primul rând și este aproape omniprezentă în fizică și disciplinele conexe. Cu toate acestea, este încă o simplificare drastică a proceselor și o limitare puternică.
În cea mai recentă publicație, cercetătorii fac noi drumuri prin extinderea metodei DFT dincolo de regimul liniar simplificat. Astfel, efectele neliniare în cantități cum ar fi undele de densitate, puterea de oprire și factorii de structură pot fi calculate și comparate cu rezultatele experimentale din materiale reale pentru prima dată.
Înainte de această publicare, aceste efecte neliniare au fost reproduse doar printr-un set de metode de calcul elaborate, și anume, simulări Monte Carlo cuantice. Deși oferă rezultate exacte, această metodă este limitată la parametrii de sistem constrânși, deoarece necesită multă putere de calcul. Prin urmare, a existat o mare nevoie de metode de simulare mai rapide.
„Abordarea DFT pe care o prezentăm în lucrarea noastră este de 1.000 până la 10.000 de ori mai rapidă decât calculele cuantice Monte Carlo”, spune Zhandos Moldabekov. „Mai mult, am putut să demonstrăm în regimuri de temperatură, de la condiții ambientale la condiții extreme, că acest lucru nu este în detrimentul acurateței. Metodologia bazată pe DFT a caracteristicilor de răspuns neliniar ale electronilor corelați cuantic deschide posibilitatea ademenitoare. pentru a studia noi fenomene neliniare în materiale complexe."
Mai multe oportunități pentru laserele moderne cu electroni liberi
"Vedem că noua noastră metodologie se potrivește foarte bine cu capacitățile instalațiilor experimentale moderne precum Helmholtz International Beamline for Extreme Fields, care este cooperat de HZDR și a intrat în funcțiune abia recent”, explică Jan Vorberger. „Cu lasere de mare putere și lasere cu electroni liberi putem crea exact aceste excitații neliniare pe care acum le putem studia teoretic și le putem examina cu o rezoluție temporală și spațială fără precedent. Instrumentele teoretice și experimentale sunt pregătite pentru a studia noi efecte în materie în condiții extreme care au nu a fost accesibil înainte."
"Această lucrare este un exemplu excelent pentru a ilustra direcția către care se îndreaptă grupul meu recent înființat", spune Tobias Dornheim, care conduce grupul de tineri cercetători "Frontierele Computational Quantum Many-Body". Theory" instalat la începutul anului 2022. "Am fost activi în principal în comunitatea fizicii de înaltă densitate de energie în ultimii ani. Acum, suntem dedicați să depășim frontierele științei, oferind soluții computaționale la problemele cuantice cu mai multe corpuri în multe contexte diferite. Considerăm că progresul actual în teoria structurii electronice va fi util pentru cercetători dintr-o serie de domenii de cercetare.”
Comentarii:
Adauga Comentariu