Une équipe de recherche du Laboratoire national Oak Ridge du Département de l'énergie, en collaboration avec la North Carolina State University, a développé une simulation capable de prédire comment des dizaines de milliers d'électrons se déplacent en matériaux en temps réel ou en temps naturel plutôt que de calcul du temps.
Le projet reflète un partenariat de longue date entre ORNL et NCSU, combinant l'expertise d'ORNL dans les méthodes quantiques dépendant du temps avec la plate-forme de simulation quantique avancée de NCSU développée sous la direction du professeur Jerry Bernholc.
En utilisant le supercalculateur Frontier du Frontier de Frontier Ridge Computing Informating, le premier mondial à briser la barrière exascale, l'équipe de recherche a développé une capacité fonctionnelle de densité en temps réel et dépendant du temps, ou RT-TDDFT, de la capacité au sein de l'espace réel en open source ou du RMG, du code pour modéliser des systèmes allant jusqu'à 24 000 électrons.
« En temps réel, dépendant du temps » décrit l'évolution en temps réel de la fonction d'onde ou de la propriété quantique-mécanique. 24 000 électrons ont à peu près la même taille que le traitement de 4 000 atomes de carbone ou 2 400 molécules d'eau traitant l'évolution du temps de tous leurs électrons.
Cette recherche, dirigée par Jacek Jakowski d'Ornl et Panchapakesan Ganesh, est essentielle dans la conception de nouvelles technologies telles que les cellules photovoltaïques avancées et les systèmes d'information émergents. Leurs résultats ont été publiés dans le Journal of Chemical Theory and Computation.
« En observant directement des milliers d'électrons en temps réel, nous obtenons de puissants informations sur la façon dont les matériaux réagissent au niveau quantique », a déclaré Jakowski.
Les nanoparticules métalliques, ou métaux avec des dimensions à moins de 1 à 100 nanomètres, ont des propriétés optiques uniques causées par la façon dont des milliers d'électrons dans ces métaux interagissent avec la lumière entrante. Il est essentiel que les chercheurs comprennent la façon dont ces électrons se déplacent dans une gamme de conditions pour faire avancer ces nouvelles technologies.
Le défi de faire avancer ces technologies a été de capturer ces dynamiques d'électrons ultra-rapides dans des matériaux à l'échelle nanométrique réalistes, ou des matériaux où au moins une dimension est à l'échelle des nanomètres.
Cette réalisation permet la conception de nouveaux matériaux avec des propriétés optiques, électroniques et magnétiques accordables et ouvre la porte à de nouvelles innovations dans les dispositifs d'information optiques et quantiques.
RT-TDDFT est une méthode mécanique quantique qui permet aux chercheurs de simuler comment les électrons se déplacent et interagissent dans les matériaux au fil du temps, une fois qu'ils sont excités par un stimulus externe. Il fonctionne en calculant comment la densité électronique des matériaux change en réponse à l'application de champs électriques et électromagnétiques (c'est-à-dire la lumière), par exemple.
« Pensez-y comme regarder une rediffusion au ralenti de tous les électrons dans un petit morceau de métal répondant à un éclair de lumière, mais à un niveau quantique incroyablement détaillé », a déclaré Jakowski. « Nos calculs sont si importants qu'ils nécessitent l'un des superordinateurs les plus rapides du monde pour les gérer en« temps réel ». En capturant ces mouvements d'électrons à grande échelle, nous pouvons prédire comment les nouveaux matériaux se comporteront, conduisant potentiellement à des cellules photovoltaïques plus efficaces, à des ordinateurs plus rapides et à de meilleures technologies quantiques. «
Le code RMG développé par NCSU est un outil de calcul spécialement conçu pour gérer efficacement ces simulations sur les machines exascales de DOE telles que Frontier. Il utilise une structure de grille flexible pour représenter le comportement d'électrons dans l'espace réel, ou l'espace euclidien 3D, lui permettant de s'étendre à des superordinateurs aussi puissants. Étant donné que RMG est open-source, d'autres chercheurs peuvent accéder, modifier et appliquer le code pour étudier un large éventail de matériaux et de phénomènes physiques.
Travaillant en collaboration avec NCSU et sa plate-forme pour les simulations quantiques-mécaniques, Jakowski, Ganesh et leur équipe se sont associés à un impact informatique innovant et nouveau de DOE sur la théorie et l'expérience, ou INCITE, les récompenses. Jakowski a souligné que cette réalisation permet aux chercheurs de simuler et de comprendre le comportement des électrons dans les matériaux à des échelles réalistes, permettant un suivi rapide de phénomènes électroniques comme les résonances plasmoniques et les spectres de photoabsorption.
Les prochaines étapes du projet comprennent la simulation de scénarios encore plus complexes pour découvrir une nouvelle physique dans les systèmes quantiques et améliorer l'efficacité et la précision pour gérer des simulations plus grandes et plus complexes.
« Ces développements sont très prometteurs pour la création de nouveaux appareils avec des propriétés électroniques, optiques et magnétiques sur mesure », a déclaré le professeur Bernholc. « En fin de compte, nous espérons que notre approche en temps réel guidera les efforts expérimentaux et accélérera les percées dans des domaines allant de Spintronics à la science de l'information quantique. »
