Ученые в реальном времени моделируют поведение десятков тысяч электронов. Зачем это нужно?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Представьте на мгновение, что вы можете наблюдать за тем, как крошечные, невидимые частицы ведут себя внутри материалов, почти как если бы смотрели фильм. Звучит как научная фантастика? А вот и нет! Совсем недавно команда ученых из Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) и Университета штата Северная Каролина (NCSU) сделала огромный шаг именно в этом направлении. Они научились моделировать поведение десятков тысяч электронов — этих фундаментальных «кирпичиков» материи — в режиме, который они называют «реальным временем». Это не просто очередной научный прорыв; это как получить совершенно новый набор очков, чтобы увидеть мир на квантовом уровне.

Зачем вообще гоняться за электронами?

Может возникнуть вопрос: а зачем такая суета вокруг этих электронов? Ну, эти ребята — настоящие трудяги. От того, как они движутся, взаимодействуют друг с другом и с внешними воздействиями (например, светом), зависят практически все свойства материалов, которые нас окружают. Возьмем, к примеру, металлические наночастицы — крохотные кусочки металла, размером в миллиардные доли метра. Их оптические свойства, то есть то, как они поглощают и рассеивают свет, совершенно уникальны и напрямую зависят от коллективного «танца» тысяч электронов внутри них. Понимание этого танца — ключ к созданию революционных технологий. Речь идет о солнечных батареях нового поколения, которые будут куда эффективнее преобразовывать свет в энергию, или о сверхбыстрых компьютерах и новых системах передачи информации, основанных на квантовых принципах.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

До недавнего времени главной загвоздкой была невероятная скорость, с которой происходят все эти электронные процессы, особенно в материалах наноразмерного масштаба. Представьте, что пытаетесь сфотографировать колибри обычным фотоаппаратом — скорее всего, получите размытое пятно. Здесь примерно та же история, только масштабы времени и пространства еще меньше. Ученым нужен был способ «замедлить» и детально рассмотреть эту сверхбыструю электронную феерию.

Магия в реальном времени: как это работает?

И вот здесь на сцену выходят герои нашего рассказа: метод, который называется зависящей от времени теорией функционала плотности в реальном времени (RT-TDDFT), и суперкомпьютер Frontier. Давайте разберемся по порядку.

RT-TDDFT — это, если говорить по-простому, сложный математический инструмент, который позволяет ученым не просто статично описать состояние электронов, а проследить их эволюцию во времени. Представьте, что вы направили на материал вспышку света. Что происходит с электронами? Как они «отвечают» на это возмущение? RT-TDDFT как раз и позволяет рассчитать, как меняется электронная плотность (то есть, грубо говоря, где электроны находятся и насколько их там много) в каждый момент времени. Яцек Яковский из ORNL, один из руководителей исследования, предлагает отличную аналогию: «Представьте, что вы смотрите замедленное воспроизведение того, как все электроны в крошечном кусочке металла реагируют на вспышку света, но на невероятно детализированном, квантовом уровне».

Теперь о «реальном времени». Важно понимать, что это не значит, что симуляция на компьютере занимает столько же времени, сколько реальный физический процесс (который может длиться фемтосекунды!). Речь идет о том, что моделируется естественная временная эволюция квантово-механической системы, а не просто статичный снимок. А чтобы просчитать поведение целых 24 000 электронов (что сопоставимо с системой из 4000 атомов углерода или 2400 молекул воды!), нужны колоссальные вычислительные мощности.

Именно здесь в игру вступает Frontier — первый в мире суперкомпьютер, преодолевший так называемый экзафлопсный барьер (это значит, что он может выполнять квинтиллион операций в секунду!). Этот вычислительный монстр, расположенный в Ок-Ридже, и позволил ученым запустить свои масштабные симуляции. Для эффективной работы на такой махине исследователи использовали специальный программный код Real-space Multigrid (RMG), разработанный в Университете штата Северная Каролина под руководством профессора Джерри Бернхольца. RMG, кстати, имеет открытый исходный код, а это значит, что другие научные группы по всему миру могут им пользоваться и адаптировать под свои задачи. Такой вот научный опенсорс!

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
А что дальше, спросите вы?

Достижение команды ORNL и NCSU — это не просто красивая научная картинка. Это мощнейший инструмент для так называемого «дизайна материалов». Зная, как электроны будут вести себя в тех или иных условиях, можно целенаправленно создавать материалы с заранее заданными оптическими, электронными или магнитными свойствами. Подумайте только: мы сможем «конструировать» вещества для конкретных задач!

Это открывает двери для инноваций в совершенно разных областях. Например, можно будет отслеживать такие явления, как плазмонные резонансы (особые колебания электронов в наночастицах, важные для оптики и сенсорики) или детально изучать спектры фотопоглощения (как материал поглощает свет разной длины волны).

Конечно, исследователи не собираются останавливаться на достигнутом. В планах — моделирование еще более сложных систем и сценариев, что, возможно, приведет к открытию совершенно новых физических явлений в квантовом мире. Также будет продолжаться работа над повышением эффективности и точности симуляций. Как отмечает профессор Бернхольц, этот подход может направить экспериментальные усилия и ускорить прорывы в самых разных сферах — от спинтроники (электроника, использующая спин электрона) до квантовой информатики.

Честно говоря, мы стоим на пороге новой эры в материаловедении. Возможность так детально «подглядывать» за жизнью электронов — это почти как получить волшебную палочку для создания материалов будущего. И кто знает, какие еще удивительные открытия ждут нас за поворотом, когда мы научимся еще лучше понимать этот невидимый, но такой важный квантовый танец.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Гидравлический штатив на глубине 4 000 м: как ходульный бентозавр обманывает физику придонного слоя

Глубоководный аппарат, опустившийся на абиссальную равнину Тихого океана на отметку 4 200 м, фиксирует внешнее статическое давление в 42 МПа. При таком сжатии любая тонкостенная жесткая опора...

2,3 миллиарда лет назад Земля едва не потеряла весь кислород: ученые выяснили, как планета сохранила обитаемость

Около двух с половиной миллиардов лет назад состав атмосферы Земли начал необратимо меняться. В воздухе впервые появился свободный кислород — газ, без которого невозможно существование...

Эйнштейн оказался квантовым: физики вывели уравнения гравитации из квантовой информации

Современная фундаментальная физика держится на двух теориях, которые до сих пор не удается свести к единому знаменателю.Первая — общая теория относительности. Она описывает...

Как на самом деле погибнет Солнечная система: новое исследование опровергло вечную стабильность орбит

Вопрос о том, способна ли планетная система существовать вечно, определил само зарождение теоретической астрономии. Размышляя о законе всемирного тяготения и наблюдая за орбитами Юпитера и...

Поставил проектор на шкаф под углом, а он сам всё настроил на экран 130": обзор TrendVision Luma Arc

Когда хочется смотреть фильмы на большой диагонали, обычный телевизор уже не всегда кажется подходящим решением. Но с проекторами есть другая проблема: нужно найти место для установки, выставить...

Как буква «Ё» появилась в русском языке и почему её часто не используют

В книге можно встретить «елку», «ежика» и «теплый вечер» — и без труда понять, какие слова имелись в виду. Но с выражениями «все готово» или «мы узнаем» такой уверенности уже нет:...