Az elmélet célja az anyagok alapvető tulajdonságainak leírása

Az arany fényes, a gyémánt átlátszó, a vas pedig mágneses. Miert van az?

elmélet

A válasz egy anyag elektronikus felépítésében rejlik, amely meghatározza annak elektromos, optikai és mágneses tulajdonságait. Sandia széles körben támaszkodik az ilyen tulajdonságok használatára és ellenőrzésére, a fegyverek megbízhatóságának biztosításától a nanoanyagokból történő eszközök létrehozásáig.

Az anyag tulajdonságainak előrejelzése az elektronszerkezet első kiszámításával csökkentené a kísérleti időt, és a kutatókat új anyagok váratlan előnyökkel járó felfedezéséhez vezethet.

De az általánosan használt szimulációk pontatlanok, főleg olyan anyagok esetében, mint a szilícium, amelyek erősen korreláló elektronjai távolságon keresztül befolyásolják egymást, és megnehezítik az egyszerű számításokat.

Most a Sandia National Laboratories kutatócsoportjának lehet egy hatalmas potenciált kínáló megoldása. Szergej Falejev és munkatársai mind a belső, mind az Energiaügyi Minisztérium Tudományos Hivatalának finanszírozásán keresztül elméleti újításokat és újszerű algoritmusokat alkalmaztak, hogy egy 1965-től nehezen használható elméleti megközelítést a számításig alkalmassá tegyenek. A csapat megközelítése megnyithatja az ajtót az anyag új fázisainak felfedezéséhez, új anyagok létrehozásához vagy a vegyületek és eszközök, például ötvözetek és napelemek teljesítményének optimalizálásához.

"Quasiparticle Self-Consistent GW Theory" című cikkük a Physical Review Letters 2006. június 9-i számában jelent meg. A GW Lars Hedin 1965-ös elméletére hivatkozik, amely elegánsan megjósolja az elektronikus energiát a földi és gerjesztett állapotok számára. "G" a Zöldek funkcióját jelenti - amelyet a potenciális és a kinetikus energia levezetésére használnak -, és "W" az átvilágított Coulomb kölcsönhatás, amely az elektronokra ható elektrosztatikus erőt képviseli. A "kvázirészecskék" egy olyan fogalom, amelyet a részecskeszerű viselkedés leírására használnak kölcsönhatásban lévő részecskék komplex rendszerében. Az önkonzisztencia azt jelenti, hogy a részecske egymást meghatározó mozgása és effektív mezője iteratív módon megoldódik, egyre közelebb kerülve a megoldáshoz, amíg az eredmény nem változik.

"A kódunknak nincs közelítése, kivéve magát a GW-t" - mondta Faleev. "Ezt tartják a legpontosabbnak a GW eddigi megvalósításai közül."

"A periódusos rendszer mindenhez jól használható" - teszi hozzá Mark van Schilfgaarde társszerző, az egykori Sandian az Arizonai Állami Egyetemen. A cikk különféle anyagok eredményeit ismerteti, amelyek tulajdonságait más elmélet nem tudja következetesen megjósolni. A 32 példa alkálifémeket, félvezetőket, széles sávú réseket, átmenetifémeket, átmenetifém-oxidokat, mágneses szigetelőket és ritkaföldfém-vegyületeket tartalmaz.

Leíró erő

"A szilárd anyagban mindent elektrosztatikus erők tartanak össze" - mondja van Schilfgaarde. "Ezt úgy gondolhatja, mint egy hatalmas táncot, csillagászati ​​szempontból nagy számú részecskével (1023), amelyet lényegében lehetetlen megoldani. A részecskék közötti nyers kölcsönhatások rendkívül összetettek.

"Hedin a nyers interakciókat a részecskék átvilágított interakcióval történő" öltöztetésére "cserélte - folytatja van Schilfgaarde -, így az effektív töltés sokkal kisebb. Sokkal könnyebben kezelhetővé válik, de az egyenletek bonyolultabbá válnak - végtelen számú végtelen számú kifejezés. A remény az, hogy a magasabb rendű kifejezések gyorsan kihalnak. "

A kutatók a GW használatával sokkal gyorsabban konvergenssé teszik a terjeszkedést.

"Nagyon magabiztosak vagyunk abban, hogy megfelelő voltunk a megközelítéssel" - mondja. Most azt szeretné, ha egy másik csoport függetlenül ellenőrizné a feladat kialakításának ezt a módját.

Ígéret és kihívások előttünk

A kutatók egy molekuladinamikai kódot, a VASP-t (Vienna Ab-initio Simulation Package) használnak például a nagy energiasűrűségű anyag állapotegyenleteinek modellezésére. Ezek az állapotegyenletek olyan mennyiségektől függenek, mint az elektromos vezetőképesség. Ennek kiszámításához részletes ismeretekre van szükség az elektronikus struktúráról - tökéletes alkalmazás Faleev munkájához. A kutatók azt remélik, hogy leírják az optikai spektrumokat, kiszámítják a teljes energiát, és több mint 10 atomot számlálnak egy egységcellában - a jelenlegi sebesség 100-szorosával. A kód felgyorsítása megkönnyítené a szandiai más kutatási területeken történő modellezést, például a felszíni tudományban használt titán-dioxid szimulációját, vagy az elektronikus vagy optikai eszközökben esetlegesen használható szén nanocsövek kutatásának támogatását.

"Az abszorpció vagy az optikai spektrum kiszámítása hatalmas probléma" - mondja Faleev várakozással. "Gyorsabbá tenni óriási probléma. Pontosabbá tenni óriási probléma. A VASP beépítése óriási probléma." Van Schilfgaarde egyetért. "Elég nagy teljesítmény egyáltalán megtenni. Valaki, aki nagyon erős a matematikában, és egy okos programozó. Egyszerűen öt-hat ember évet töltöttünk el közöttünk, hogy ez működjön.

"Ha megfelelő megközelítést tudunk elérni, akkor rendelkezhetünk egy olyan elmélettel, amely általánosságban pontos mindenre, amit akarunk - ez nagyon szép, csak megköveteli az atomok ismeretét." Van Schilfgaarde úgy véli, hogy az elmélet előnye az lenne, ha valódi betekintést nyújtana az anyagi magatartásba. "Ez olyan, mintha éjjellátó szemüveget adnánk a sötétben dolgozó katonáknak" - mondja. - Valószínűleg 10 év múlva - teszi hozzá Szergej - mindenki ezt fogja használni.