Επιτάχυνση των υπολογισμών που αποκαλύπτουν πώς αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια στα υλικά
Τα υλικά αποτελούνται από άτομα, τα οποία αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των σωματιδίων καθορίζουν τις ιδιότητες του υλικού, όπως η δύναμη, η αγωγιμότητα και η μαγνητική συμπεριφορά του. Η κατανόηση αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό νέων υλικών με επιθυμητές ιδιότητες για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως η αποθήκευση ενέργειας, τα ηλεκτρονικά και η κατάλυση.
Μία από τις πιο ακριβείς μεθόδους για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στα υλικά είναι η λειτουργική θεωρία πυκνότητας (DFT), η οποία είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τον υπολογισμό της ηλεκτρονικής δομής των ατόμων, των μορίων και των στερεών. Ωστόσο, οι υπολογισμοί DFT μπορούν να είναι υπολογιστικά εντατικοί, ειδικά για μεγάλα συστήματα ή εκείνους που περιέχουν βαριά στοιχεία, καθιστώντας τα πρόκληση να εφαρμοστούν σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις.
Η προσέγγιση αυτοσυντηρούμενου πεδίου (SCF) περιλαμβάνει την επίλυση των εξισώσεων Kohn-Sham, ένα σύνολο εξισώσεων που καθορίζουν τους υπολογισμούς DFT. Στην παραδοσιακή προσέγγιση, οι εξισώσεις Kohn-Sham επιλύονται με την επέκταση των κυματομορφών των ηλεκτρονίων σε ένα πεπερασμένο σύνολο βασικών λειτουργιών, όπως τα επίπεδα κύματα. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να είναι υπολογιστικά δαπανηρή, ειδικά για συστήματα με μεγάλο αριθμό ατόμων.
Η νέα τεχνική που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές της Argonne χρησιμοποιεί μια πιο αποτελεσματική προσέγγιση που ονομάζεται Planewave Bass Set. Σε αυτή την προσέγγιση, οι λειτουργίες κυματομορφών αντιπροσωπεύονται σε ένα πλέγμα και στη συνέχεια προβάλλονται σε ένα σύνολο επίπεδων κυμάτων. Αυτό μειώνει το υπολογιστικό κόστος των υπολογισμών και επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετούν μεγαλύτερα συστήματα με μεγαλύτερη ακρίβεια και αποτελεσματικότητα.
"Η ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνικής είναι μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της επιστήμης των υπολογιστικών υλικών", δήλωσε ο Δρ John Perdew, ανώτερος επιστήμονας στο Argonne και ένας από τους κύριους ερευνητές της μελέτης. "Ανοίγει την πόρτα σε νέες δυνατότητες για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε υλικά, τα οποία θα επιταχύνουν την ανάπτυξη προηγμένων υλικών".
Οι ερευνητές κατέδειξαν τη δύναμη της νέας τεχνικής τους, μελετώντας μια ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένου του πυριτίου, του νερού και ενός σύνθετου οξειδίου. Διαπίστωσαν ότι η τεχνική τους μπορεί να επιτύχει παρόμοια ακρίβεια με τους παραδοσιακούς υπολογισμούς DFT αλλά με σημαντικά μειωμένο υπολογιστικό κόστος, καθιστώντας το ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για τη μελλοντική έρευνα των υλικών.
Η μελέτη, με τίτλο "Λειτουργική θεωρία πυκνότητας πεδίου με ένα σύνολο βάσης Planewave:φορμαλισμός και εφαρμογή", δημοσιεύθηκε στο Journal of Chemical Physics και υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Επιστημών DOE. Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το Μπέρκλεϊ και το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Urbana-Champaign.
