Златото е лъскаво, диамантите са прозрачни, а желязото е магнитно. Защо така?

основни

Отговорът се крие в електронната структура на материала, която определя неговите електрически, оптични и магнитни свойства. Sandia разчита широко на използването и контрола на такива свойства, за всичко - от осигуряване на надеждност на оръжията до създаване на устройства от наноматериали.

Прогнозирането на свойствата на даден материал чрез първо изчисляване на електронната му структура би съкратило експерименталното време и може да накара изследователите да разкрият нови материали с неочаквани ползи.

Но често използваните симулации са неточни, особено за материали като силиций, чиито силно корелирани електрони си влияят на разстояние и затрудняват прости изчисления.

Сега екип от изследователи от Националните лаборатории Sandia може да има решение, което предлага огромен потенциал. Чрез вътрешно финансиране и финансиране от Министерството на енергетиката на Науката Сергей Фалеев и неговите колеги прилагат теоретични нововъведения и нови алгоритми, за да направят трудно използваем теоретичен подход от 1965 г. податлив на изчисления. Подходът на екипа може да отвори вратата за откриване на нови фази на материята, създаване на нови материали или оптимизиране на работата на съединения и устройства като сплави и слънчеви клетки.

Техният доклад "Quasiparticle Self-Consistent GW Theory" се появи в изданието на Physical Review Letters от 9 юни 2006 г. GW се позовава на теорията на Ларс Хедин от 1965 г., която елегантно предсказва електронната енергия за земно и възбудено състояние на материалите. „G“ означава функцията на Зелените - използвана за извличане на потенциал и кинетична енергия - а „W“ е екранираното кулоновско взаимодействие, което представлява електростатична сила, действаща върху електроните. "Квазичастици" са концепция, използвана за описване на подобно на частици поведение в сложна система от взаимодействащи частици. Самопостоянно означава, че движението и ефективното поле на частицата, които се определят взаимно, се итеративно решават, като се приближават все по-близо до решение, докато резултатът спре да се променя.

"Нашият код няма приблизително с изключение на самия GW", каза Фалеев. „Смята се, че е най-точната от всички внедрения на GW до момента.“

„Работи добре за всичко в периодичната таблица“, добавя съавторът Марк ван Шилфгаарде, бивш сандианец, сега в Държавния университет в Аризона. Хартията отчита резултати за различни материали, чиито свойства не могат да бъдат предсказвани последователно от никоя друга теория. 32-те примера включват алкални метали, полупроводници, изолатори с широка лента, преходни метали, оксиди на преходни метали, магнитни изолатори и редки земни съединения.

Описваща сила

„Всичко в твърдото вещество се държи заедно чрез електростатични сили“, казва ван Шилфгаарде. „Можете да мислите за това като за огромен танц с астрономически голям брой частици, 1023, който по същество е невъзможно да бъде решен. Суровите взаимодействия между частиците са изключително сложни.

"Хедин замени необработените взаимодействия с" обличане "на частицата с екранирано взаимодействие", продължава Ван Шилфгаарде, "така че ефективният заряд е много по-малък. Той става много по-проследим, но уравненията стават по-сложни - имате безкраен брой безкраен брой термини. Надеждата е, че условията от по-висок ред бързо отмират. "

Използването на изследователите на GW прави разширяването много по-бързо конвергентно.

"Доста уверени сме, че сме подходили правилно", казва той. Сега той би искал друга група да провери самостоятелно този начин на формулиране на задачата.

Обещание и предизвикателства напред

Изследователите използват код за молекулярна динамика, VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), за да моделират например уравнения на състоянието в материя с висока енергийна плътност. Тези уравнения на състоянието зависят от величини като електрическата проводимост. Изчисляването на това изисква подробни познания за електронната структура - перфектно приложение за работата на Фалеев. Изследователите се надяват да опишат оптични спектри, да изчислят общата енергия и да отчитат повече от 10 атома в единична клетка - със 100 пъти по-голяма от текущата скорост. Ускоряването на кода би улеснило моделирането в други изследователски области в Sandia, като симулиране на титанов диоксид, използван в науката за повърхността, или подпомагане на изследванията на въглеродни нанотръби, които могат да се използват в електронни или оптични устройства.

"Изчисляването на поглъщането или оптичните спектри е огромен проблем", казва Фалеев с очакване. "Да се ​​направи по-бързо е огромен проблем. Да се ​​направи по-точен е огромен проблем. Включването на VASP е огромен проблем." Ван Шилфгаарде се съгласява. "Изключително постижение е да го направим изобщо. Необходим е човек, който е много силен в математиката и умен програмист. Прекарахме лесно пет до шест човеко години между нас, за да работи.

"Ако успеем да подходим правилно, можем да имаме теория, която да е универсално точна за всичко, което искаме - това е наистина доста изрядно, просто изискващо знание къде са атомите." Ван Шилфгаарде вярва, че предимството на теорията би било да предложи истинска представа за материалното поведение. "Това е нещо като добавяне на очила за нощно виждане към войници, работещи в тъмното", казва той. „Вероятно след 10 години - добавя Сергей - всички ще използват това.“