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

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.

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!

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.