Новое моделирование раскрывает секреты экзотической формы электронов, называемых поляронами

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 23 марта 2023 г., 13:46:05 MSK
  • 0 комментариев
  • 26 просмотров
Условия, впервые отображенные для характеристик полярона в 2D-материалах. Суперкомпьютер Frontera компании TACC произвел квантово-механические расчеты для гексагональной системы нитрида бора из 30 000 атомов.

Новый виток открылся в стремлении ученых к разработке передовых материалов, используемых в телевизорах на органических светодиодах (OLED), сенсорных экранах и многом другом. Прогресс связан с поляроном, квазичастицей, состоящей из электрона и окружающих его искажений атомов в кристаллической решетке.

Моделирование на суперкомпьютере Frontera Техасского центра передовых вычислений (TACC) впервые помогло ученым составить карту условий, характеризующих поляроны в 2D-материалах, самых тонких материалах, которые когда-либо были изготовлены.

"Мы составили карту, чтобы указать, в каких материалах следует находить поляроны, при каких условиях и каковы характеристики их свойств", - сказал Фелисиано Джустино, профессор физики и заведующий кафедрой квантовой материаловедения W.A. 'Tex' Moncrief-младший в Институте вычислительной техники и наук Одена (Oden). Институт) и физический факультет Колледжа естественных наук Техасского университета в Остине.

Понимание поляронов может помочь повысить производительность и экономичность таких устройств, как сенсорные экраны для телефонов и планшетов, а также органические светодиоды OLED-телевизоров, которые основаны на передаче электрического заряда через поляроны.

Более того, получение водородного топлива путем расщепления воды солнечным светом считается "святым граалем" энергетической науки, процесс, который может быть достигнут за счет переноса заряда от поляронов в ключевых материалах, таких как диоксид титана.

Джустино является ведущим автором работы, опубликованной в феврале 2023 года в Физика природы В нем он и соавтор исследования Венг Хонг Сио из Института Одена и Университета Макао определили фундаментальные свойства поляронов в двумерных материалах, используя квантово-механическую теорию и вычисления.

До сих пор мало что было известно о поляронах в двумерных материалах. Поляроны были хорошо изучены теоретически за последние 100 лет и экспериментально охарактеризованы для трехмерных объемных тел.

Джустино и Сио сосредоточились на атомарно-тонких кристаллических монослоях гексагонального нитрида бора (h-BN) на графене в качестве примера, где были вычислены поляроны и проведено сравнение в объемном кристалле и в монослое. Затем они создали обобщенную модель поляронов в 2D-материалах.

"Наша цель состояла в том, чтобы понять, где можно найти поляроны в двух измерениях и каковы их свойства. Чтобы сделать это, мы использовали новый вычислительный метод, который мы разработали", - сказал Джустино.

Джустино из Института Одена изобрел EPW, код Fortran с открытым исходным кодом и интерфейсом передачи сообщений (MPI), который вычисляет свойства, связанные с электрон-фононным взаимодействием, используя теорию возмущений функционала плотности и максимально локализованные функции Ваннье. Этот код в настоящее время разрабатывается международным сотрудничеством, возглавляемым Институтом Одена.

"Для выполнения вычислений мы использовали суперкомпьютеры, в первую очередь, DOE (Argonne Leadership Computing Facility и National Energy Research Scientific Computing), а также Frontera в TACC. EPW - это то, что мы очень сильно оптимизировали на Frontera", - сказал Джустино.

Во время работы TACC в Texascale Джустино получил доступ к полной машине, что позволило его группе выполнять полноценные системные запуски на всех 448 000 процессорных ядрах Frontera.

"Благодаря поддержке DOE в течение последних 4 лет мы проводили рефакторинг EPW для масштабных вычислений", - сказал Джустино. "Суперкомпьютер Frontera от TACC помог нам в этой работе. Нам удалось реорганизовать код EPW, чтобы достичь 92% идеального масштабирования. Возможность получить доступ ко всей машине в течение нескольких дней Texascale была абсолютно необходима для того, чтобы довести нас с кодом до того уровня, на котором мы сейчас находимся ".

Суперкомпьютер Frontera от TACC, финансируемый Национальным научным фондом (NSF), является самой мощной академической системой в США. Программа Frontera Characteristic Science Applications (CSA) является частью программы планирования и ранней научной подготовки вычислительного комплекса лидерского класса NSF (LCCF), который будет в 10 раз мощнее такой же могущественный, как Frontera.

"TACC предоставила нам возможность разрабатывать коды для полномасштабных систем, что было невозможно нигде больше", - сказал Джустино.

Его EPW-код является одним из 21 проекта CSA, отобранных TACC для сравнительного анализа и оптимизации для LCCF - эти последние симуляции polaron связаны с проектом CSA Джустино.

Более того, Джустино продолжает свое тесное сотрудничество с TACC благодаря недавнему гранту на разработку программного обеспечения для проектирования новых материалов, полученному от Управления NSF по передовой киберинфраструктуре в рамках программы Cyberinfrastructure for Sustainable Scientific Innovation (CSSI). Грант будет финансировать разработку программного обеспечения для проектирования новых материалов.

Министерство энергетики (DOE) профинансировало последнюю работу Джустино с поляронами в рамках премии Министерства науки, фундаментальных энергетических наук, вычислительных наук о материалах no. DE-SC0020129.

"Национальный научно-вычислительный центр энергетических исследований (NERSC) предоставил основные ресурсы, которые мы используем для этого проекта DOE. Мы выполнили значительную часть наших вычислений на суперкомпьютерах Cori и Perlmutter в NERSC", - сказал Джустино.

Расчеты относятся к энергиям образования, волновым функциям и атомным смещениям поляронов, квантового волнового пакета, состоящего из электрона, "одетого" облаком атомных колебаний.

Сами по себе электроны ведут себя как делокализованные волны, а поляроны ведут себя по-другому в том смысле, что волновой пакет перескакивает с одного участка решетки на другой. "Этот режим "скачкообразного переноса" придает материалу новые свойства и оказывает влияние на разработку материалов для электроники", - сказал Джустино.

Пакет простирается более чем на 10 нанометров, охватывая около 30 000 атомов бора и азота, учитывая все взаимодействия между атомами. Такого рода вычисления в настоящее время невозможны с использованием стандартных методов теории функционала плотности.

"Мы переделываем эту задачу в решение очень большой нелинейной задачи на собственные значения. Затем мы использовали суперкомпьютеры для решения этой гигантской задачи линейной алгебры", - сказал Джустино.

"Мы считаем, что с помощью этих новых методов, которые мы разработали с помощью кода EPW, мы теперь извлекаем выгоду из экспериментальных данных и поддерживаем их, а также видим новые направления в проектировании материалов", - добавил он.

Джустино сказал: "Материалы, которые мы знаем сегодня, - это лишь крошечная часть того, что возможно. Суперкомпьютеры являются ключом к исследованию этого ценного и гигантского пространства без необходимости сначала вкладывать миллиарды в экспериментальный синтез и определение характеристик материалов. Вычисления дают ученым возможность с легкостью увидеть, что возможно, за что я решительно выступаю и хочу, чтобы США сохраняли лидерство в области исследований материалов за счет постоянной поддержки высокопроизводительных вычислений ".

Комментарии

0 комментариев