On Binlerce Elektron Aynı Anda Simüle Edildi
Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan bir araştırma ekibi, Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi ile işbirliği yaparak, on binlerce elektronun gerçek zamanlı olarak veya hesaplama zamanından ziyade doğal zamanda malzemelerde nasıl hareket ettiğini tahmin edebilen bir simülasyon geliştirdi.
Proje, ORNL ve NCSU arasındaki uzun süreli ortaklığı yansıtıyor ve ORNL’nin zamana bağlı kuantum yöntemlerindeki uzmanlığını, Profesör Jerry Bernholc liderliğinde geliştirilen NCSU’nun gelişmiş kuantum simülasyon platformuyla birleştiriyor.
Araştırma ekibi, dünyada exascale bariyerini aşan ilk bilgisayar olan Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisi’nin Frontier süper bilgisayarını kullanarak, 24.000 elektrona kadar sistemleri modellemek için açık kaynaklı Gerçek Uzay Çoklu Şebekesi veya RMG kodunda gerçek zamanlı, zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teorisi veya RT-TDDFT yeteneği geliştirdi.
“Gerçek zamanlı, zamana bağlı” dalga fonksiyonunun veya kuantum mekanik özelliğinin gerçek zamanlı evrimini tanımlar. 24.000 elektron, tüm elektronlarının zaman evrimini ele alan 4.000 karbon atomu veya 2.400 su molekülüyle yaklaşık aynı boyuttadır.
ORNL’den Jacek Jakowski ve Panchapakesan Ganesh liderliğindeki bu araştırma, gelişmiş fotovoltaik hücreler ve ortaya çıkan bilgi sistemleri gibi yeni teknolojilerin tasarlanmasında hayati önem taşımaktadır. Bulguları Kimyasal Teori ve Hesaplama Dergisi’nde yayınlanmıştır.
Jakowski, “Binlerce elektronu gerçek zamanlı olarak doğrudan gözlemleyerek, malzemelerin kuantum düzeyinde nasıl tepki verdiğine dair güçlü içgörüler elde ediyoruz” dedi.
Metalik nanopartiküller veya 1-100 nanometre boyutlarındaki metaller, bu metallerdeki binlerce elektronun gelen ışıkla etkileşime girme biçiminden kaynaklanan benzersiz optik özelliklere sahiptir. Araştırmacıların bu elektronların çeşitli koşullar altında hareket etme biçimlerini anlamaları, bu yeni teknolojileri ilerletmek için kritik öneme sahiptir.
Bu teknolojileri ileriye taşımadaki zorluk, bu ultra hızlı elektron dinamiklerini gerçekçi nano ölçekli malzemelerde veya en az bir boyutu nanometre ölçeğinde olan malzemelerde yakalamak olmuştur.
Bu başarı, ayarlanabilir optik, elektronik ve manyetik özelliklere sahip yeni malzemelerin tasarlanmasını sağlar ve optik ve kuantum bilgi aygıtlarında yeni yeniliklere kapı açar.
RT-TDDFT, araştırmacıların elektronların harici bir uyaranla uyarıldıktan sonra zaman içinde malzemelerde nasıl hareket ettiğini ve etkileşime girdiğini simüle etmelerine olanak tanıyan bir kuantum mekanik yöntemidir. Örneğin, malzemelerdeki elektron yoğunluğunun elektrik ve elektromanyetik alanların (yani ışığın) uygulanmasına yanıt olarak nasıl değiştiğini hesaplayarak çalışır.
“Bunu, küçük bir metal parçasındaki tüm elektronların bir ışık parlamasına tepki vermesinin ağır çekim tekrarını izlemek gibi düşünün, ancak inanılmaz derecede ayrıntılı, kuantum seviyesinde,” dedi Jakowski. “Hesaplamalarımız o kadar büyük ki, bunları ‘gerçek zamanlı’ çalıştırmak için dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarından birine ihtiyaç duyuyorlar. Bu elektron hareketlerini ölçekte yakalayarak, yeni malzemelerin nasıl davranacağını tahmin edebiliriz, bu da potansiyel olarak daha verimli fotovoltaik hücrelere, daha hızlı bilgisayarlara ve daha iyi kuantum teknolojilerine yol açabilir.”
NCSU tarafından geliştirilen RMG kodu, DOE’nin Frontier gibi eksascale makinelerinde bu simülasyonları verimli bir şekilde işlemek için özel olarak tasarlanmış bir hesaplama aracıdır. Gerçek uzayda veya 3B Öklid uzayında elektron davranışını temsil etmek için esnek bir ızgara yapısı kullanır ve bu da bu kadar güçlü süper bilgisayarlarda ölçeklenmesini sağlar. RMG açık kaynaklı olduğundan, diğer araştırmacılar çok çeşitli malzemeleri ve fiziksel olayları incelemek için koda erişebilir, onu değiştirebilir ve uygulayabilir.
NCSU ve kuantum mekanik simülasyonlar platformuyla iş birliği içinde çalışan Jakowski, Ganesh ve ekipleri, DOE’nin Teori ve Deney Üzerindeki Yenilikçi ve Yeni Hesaplamalı Etki veya INCITE ödülleri aracılığıyla ortaklık kurdu. Jakowski, bu başarının araştırmacıların malzemelerdeki elektron davranışını gerçekçi ölçeklerde simüle etmelerine ve anlamalarına olanak tanıdığını ve plazmonik rezonanslar ve fotoabsorpsiyon spektrumları gibi elektronik olayların hızlı bir şekilde izlenmesini sağladığını vurguladı.
Projenin bir sonraki adımları arasında, kuantum sistemlerinde yeni fizik keşfetmek için daha da karmaşık senaryoların simülasyonunu yapmak ve daha büyük, daha karmaşık simülasyonları ele almak için verimliliği ve doğruluğu artırmak yer alıyor.
“Bu gelişmeler, özel elektronik, optik ve manyetik özelliklere sahip yeni cihazlar yaratmak için büyük bir vaat taşıyor,” dedi Profesör Bernholc. “Sonuç olarak, gerçek zamanlı yaklaşımımızın deneysel çabalara rehberlik etmesini ve spintronikten kuantum bilgi bilimine kadar uzanan alanlarda atılımları hızlandırmasını umuyoruz.”
Kaynak: https://phys.org