Pidiendo un nuevo modelo para la simulación de electrones – ScienceDaily

En la nueva publicación, el líder del grupo de jóvenes investigadores, el Dr. Tobias Dornheim, y el autor principal, el Dr. Zandos Moldabekov (ambos en CASUS, HZDR) y el Dr. Jan Vorberger (Instituto de Física de la Radiación, HZDR) enfrentan uno de los desafíos más fundamentales de nuestro tiempo. . : Describe con precisión cómo interactúan miles de millones de partículas cuánticas, como los electrones. Estos llamados sistemas cuánticos de múltiples cuerpos están en el centro de muchas áreas de investigación en física, química, ciencia de los materiales y disciplinas relacionadas. De hecho, la mayoría de las propiedades de los materiales están determinadas por el complejo comportamiento mecánico cuántico de los electrones que interactúan. Si bien las ecuaciones matemáticas básicas que describen estructuras electrónicas, en principio, se conocen desde hace mucho tiempo, son demasiado complejas para resolverlas en la práctica. Por lo tanto, la comprensión real de los materiales de diseño elaborado, por ejemplo, sigue siendo muy limitada.

Esta situación insatisfactoria ha cambiado con la llegada de los modernos clústeres de computación de alto rendimiento, dando lugar a un nuevo campo de la teoría cuántica de cuerpos múltiples. Aquí, una herramienta particularmente exitosa es la teoría funcional de la densidad (DFT), que ha brindado conocimientos sin precedentes sobre las propiedades de los materiales. DFT se considera actualmente uno de los métodos de simulación más importantes en física, química y ciencia de materiales. Es particularmente experto en describir múltiples sistemas de electrones. De hecho, la cantidad de publicaciones científicas basadas en cálculos DFT ha crecido exponencialmente durante la última década y las empresas han utilizado con éxito el método para calcular las propiedades de los materiales con una precisión sin precedentes.

Superar la simplificación radical

Muchas de estas propiedades que se pueden calcular usando la DFT se obtienen bajo la teoría de respuesta lineal. Este concepto también se utiliza en muchos experimentos en los que la respuesta (lineal) del sistema de interés se mide mediante una perturbación externa como un láser. De esta forma, se puede diagnosticar el sistema y obtener parámetros básicos como la densidad o la temperatura. La teoría de la respuesta lineal a menudo hace que el experimento y la teoría sean factibles en primer lugar y es casi omnipresente en la física y disciplinas relacionadas. Sin embargo, no deja de ser una simplificación radical de las operaciones y una fuerte limitación.

En su última publicación, los investigadores están abriendo nuevos caminos al extender el método DFT más allá del sistema lineal simplificado. Por lo tanto, los efectos no lineales se pueden calcular con cantidades como la densidad de las olas, la fuerza de frenado y los factores de estructura y se pueden comparar por primera vez con resultados experimentales de materiales reales.

Antes de esta publicación, estos efectos no lineales solo se reproducían mediante un grupo de métodos computacionales complejos, la simulación cuántica de Monte Carlo. Aunque proporciona resultados precisos, este método se limita a parámetros de sistema restringidos, ya que requiere mucha potencia computacional. Por lo tanto, había una gran necesidad de métodos de simulación más rápidos. «El enfoque DFT que presentamos en nuestro artículo es de 1000 a 10 000 veces más rápido que los cálculos cuánticos de Monte Carlo», dice Zandos Moldabekov. «Además, hemos podido demostrar a través de regímenes de temperatura que van desde condiciones ambientales hasta condiciones extremas, que esto no compromete la precisión. La metodología basada en DFT para las propiedades de respuesta no lineal de los electrones relacionados con la cuántica abre una posibilidad tentadora para estudiar nuevos no lineales fenómenos en materiales complejos”.

Más oportunidades para el láser de electrones libres moderno

“Vemos que nuestra nueva metodología se adapta perfectamente a las capacidades de las instalaciones piloto modernas, como la línea de luz internacional Helmholtz para campos extremos, que cuenta con la cooperación de HZDR y que recientemente entró en funcionamiento”, explica Jan Vorberger. «Mediante el uso de láseres de alta potencia y láseres de electrones libres, podemos crear estas excitaciones no lineales exactas. Ahora podemos estudiarlas teóricamente y examinarlas con una resolución temporal y espacial sin precedentes. Las herramientas teóricas y experimentales están listas para estudiar efectos novedosos en la materia bajo condiciones extremas. condiciones que no han estado disponibles antes».

“Este documento es un gran ejemplo para ilustrar la dirección en la que se dirigen mis dos grupos recientemente establecidos”, dice Tobias Dornheim, quien dirige el joven grupo de investigadores Frontiers of Communication Quantum Many Body Theory instalado a principios de 2022. en la comunidad de física de alta densidad de energía de los últimos años. Ahora, estamos comprometidos a ampliar los límites de la ciencia al proporcionar soluciones computacionales a problemas de múltiples cuerpos en muchos contextos diferentes. Creemos que los avances actuales en la teoría de la estructura electrónica serán beneficiosos para los investigadores en varias áreas de investigación».