전자 시뮬레이션의 새로운 패러다임 옹호

전자 시뮬레이션의 새로운 패러다임 옹호
날짜:
2022년 7월 1일
원천:
헬름홀츠-젠트룸 드레스덴-로젠도르프
요약:
연구원들은 고성능 컴퓨팅 클러스터를 위해 널리 사용되는 시뮬레이션 방법을 개선합니다.

전자 구조를 설명하는 가장 기본적인 수학 방정식은 오래 전부터 알려져 있지만 실제로 풀기에는 너무 복잡합니다. 이것은 물리학, 화학 및 재료 과학의 발전을 방해했습니다. 현대의 고성능 컴퓨팅 클러스터와 시뮬레이션 방법 DFT(밀도 기능 이론)의 확립 덕분에 연구원들은 이러한 상황을 바꿀 수 있었습니다. 그러나 이러한 도구를 사용하더라도 모델링된 프로세스는 많은 경우 여전히 크게 단순화됩니다. 이제 CASUS(Center for Advanced Systems Understanding)와 HZDR(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)의 방사선 물리학 연구소의 물리학자들은 DFT 방법을 크게 개선하는 데 성공했습니다. 이것은 그룹이 설명하는 것처럼 초고강도 레이저 실험에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.화학 이론 및 계산 저널 .

새로운 간행물에서 Young Investigator Group Leader Dr. Tobias Dornheim, 주 저자 Dr. Zhandos Moldabekov(CASUS, HZDR) 및 Dr. Jan Vorberger(Institute of Radiation Physics, HZDR)는 우리 시대의 가장 근본적인 도전 중 하나를 다루고 있습니다. : 전자와 같은 수십억 개의 양자 입자가 상호 작용하는 방식을 정확하게 설명합니다. 이러한 소위 양자 다물체 시스템은 물리학, 화학, 재료 과학 및 관련 분야의 많은 연구 분야의 핵심입니다. 실제로 대부분의 재료 특성은 상호 작용하는 전자의 복잡한 양자 역학적 거동에 의해 결정됩니다. 전자 구조를 설명하는 기본 수학 방정식은 원칙적으로 오래 전부터 알려져 있지만 실제로 해결하기에는 너무 복잡합니다. 따라서 예를 들어 실제 이해

이 불만족스러운 상황은 계산 양자 다물체 이론의 새로운 분야를 일으킨 현대 고성능 컴퓨팅 클러스터의 출현으로 바뀌었습니다. 여기에서 특히 성공적인 도구는 재료의 특성에 대한 전례 없는 통찰력을 제공한 밀도 기능 이론(DFT)입니다. DFT는 현재 물리학, 화학 및 재료 과학에서 가장 중요한 시뮬레이션 방법 중 하나로 간주됩니다. 특히 많은 전자 시스템을 설명하는 데 능숙합니다. 실제로, DFT 계산을 기반으로 한 과학 출판물의 수는 지난 10년 동안 기하급수적으로 증가했으며 회사는 이 방법을 사용하여 이전보다 정확한 재료 특성을 성공적으로 계산했습니다.

과감한 단순화 극복

DFT를 사용하여 계산할 수 있는 많은 이러한 속성은 선형 응답 이론의 프레임워크에서 얻을 수 있습니다. 이 개념은 또한 레이저와 같은 외부 섭동에 대한 관심 시스템의 (선형) 응답이 측정되는 많은 실험에서 사용됩니다. 이러한 방식으로 시스템을 진단하고 밀도 또는 온도와 같은 필수 매개변수를 얻을 수 있습니다. 선형 반응 이론은 실험과 이론을 처음부터 실현 가능하게 만드는 경우가 많으며 물리학 및 관련 분야 전반에 걸쳐 거의 도처에 있습니다. 그러나 여전히 프로세스의 과감한 단순화와 강력한 제한이 있습니다.

최신 간행물에서 연구원들은 단순화된 선형 체제를 넘어 DFT 방법을 확장하여 새로운 영역을 개척하고 있습니다. 따라서 밀도파, 저지력 및 구조 인자와 같은 양의 비선형 효과를 계산하고 실제 재료의 실험 결과와 처음으로 비교할 수 있습니다.

이 출판물 이전에는 이러한 비선형 효과가 일련의 정교한 계산 방법, 즉 양자 몬테카를로 시뮬레이션에 의해서만 재현되었습니다. 이 방법은 정확한 결과를 제공하지만 많은 계산 능력이 필요하기 때문에 제한된 시스템 매개변수로 제한됩니다. 따라서 더 빠른 시뮬레이션 방법이 크게 필요했습니다. Zhandos Moldabekov는 "우리가 논문에서 제시한 DFT 접근 방식은 양자 몬테카를로 계산보다 1,000~10,000배 더 빠릅니다. "게다가 우리는 주변 조건에서 극한 조건에 이르는 다양한 온도 영역에서 이것이 정확도를 손상시키지 않는다는 것을 입증할 수 있었습니다.

현대 자유 전자 레이저에 대한 더 많은 기회

Jan Vorberger는 "우리의 새로운 방법론은 HZDR과 협력하여 최근에야 가동에 들어간 Helmholtz International Beamline for Extreme Fields와 같은 현대 실험 시설의 기능에 매우 잘 맞는다는 것을 알고 있습니다."라고 설명합니다. "고출력 레이저와 자유 전자 레이저를 사용하여 우리는 이제 이론적으로 연구할 수 있는 이러한 비선형 여기를 정확하게 생성할 수 있으며 전례 없는 시간 및 공간 분해능으로 이를 조사할 수 있습니다. 이론 및 실험 도구는 극한 조건에서 물질의 새로운 효과를 연구할 준비가 되어 있습니다. 이전에는 액세스할 수 없었습니다."

2022년 초에 설치된 Young Investigator Group "Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory"를 이끌고 있는 Tobias Dornheim은 ​​"이 논문은 제가 최근에 설립한 그룹이 나아가야 할 방향을 보여주는 좋은 예입니다. 지난 몇 년 동안 고에너지 밀도 물리학 커뮤니티에서. 이제 우리는 다양한 상황에서 양자 다물체 문제에 대한 계산 솔루션을 제공함으로써 과학의 최전선을 개척하는 데 전념하고 있습니다. 우리는 전자 구조 이론의 현재 발전이 다음과 같이 될 것이라고 믿습니다. 여러 연구 분야의 연구자에게 유용합니다."