Моделирование на суперкомпьютерах TACC Frontera и Lonestar6 позволяет выявить топологические вихри в поляронных квазичастицах.
За последнее десятилетие металлогалогенидные перовскиты быстро продвинулись вперед как полупроводники, превзойдя кремний по своей способности преобразовывать свет в электрический ток с момента их первоначального открытия.
Моделирование на суперкомпьютерах TACC Frontera и Lonestar6 выявило удивительные вихревые структуры в квазичастицах электронов и атомов, называемых поляронами, которые способствуют выработке электроэнергии из солнечного света.
Это новое открытие может помочь ученым в разработке новых солнечных элементов и светодиодного освещения. Этот тип освещения приветствуется как экологически чистая, устойчивая технология, которая может изменить будущее освещения.
“Мы обнаружили, что электроны образуют локализованные узкие волновые пакеты, которые известны как поляроны. Эти ”сгустки заряда" — квазичастичные поляроны — наделяют перовскиты особыми свойствами ", - сказал Фелисиано Джустино, профессор физики, и В. А. ‘Текс’ Монкриф-младший, заведующий кафедрой квантовой материаловедения в Колледже естественных наук и основной факультет Оденского института вычислительной техники и естественных наук (Oden Institute) в Калифорнийском университете в Остине.
Джустино является соавтором исследования поляронов, обнаруженных в галогенидных перовскитах, недавно опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Эти поляроны демонстрируют очень интригующие закономерности. Атомы вращаются вокруг электрона и образуют вихри, которые никогда раньше не наблюдались ”, - сказал Джустино, который также является директором Центра квантовой материаловедения Института Одена.
Вихревые структуры поляронов могут помогать электронам оставаться в возбужденном состоянии, что происходит, когда фотон света сталкивается с соединениями на атомном уровне.
“Мы подозреваем, что эта странная вихревая структура не позволяет электрону вернуться на невозбужденный энергетический уровень”, - объяснил Джустино. “Этот вихрь представляет собой защищенную топологическую структуру в галогенидно-перовскитной решетке, которая остается на месте в течение длительного времени и позволяет электронам течь без потери энергии”.
Исторический контекст и эффективность перовскитов
Структуры из перовскита - это тип материала, известный более века, когда Густав Роуз открыл перовскит из оксида титана кальция CaTiO3 в 1839 году. Совсем недавно, в 2012 году, Джустино работал с группой ученого Оксфордского университета Генри Снайта, который обнаружил новый тип перовскита, называемый галогенидными перовскитами, где вместо кислорода присутствуют галогены, элементы, образующие соли при реакции с металлами.
“Оказывается, что галогенидные перовскиты в солнечных элементах демонстрируют исключительную эффективность преобразования энергии”, - сказал Джустино.
Для сравнения, максимальная эффективность кремния составляет около 25 процентов, что означает, что из всей энергии, поступающей от солнца, одна четверть преобразуется в электричество. Для достижения 25-процентной эффективности кремнию потребовалось около 70 лет разработки. С другой стороны, галогенидным перовскитам удалось достичь 25-процентной эффективности всего за 10 лет.
“Это революционный материал”, - сказал Джустино. “Это объясняет, почему многие исследовательские группы, работающие над фотовольтаикой, перешли на перовскиты, потому что они очень многообещающие. В нашем материале были рассмотрены основы с использованием вычислительных методов для изучения свойств этих соединений на уровне отдельных атомов. ”
Для исследования Джустино использовал ассигнования на суперкомпьютеры Lonestar6 и Frontera, выделенные Техасским центром передовых вычислений (TACC), а также суперкомпьютеры Министерства энергетики США (DOE) в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC).
“Это исследование является частью проекта, спонсируемого Министерством энергетики, который продолжается уже несколько лет при поддержке TACC и, в частности, Frontera, где мы разработали методологии для изучения взаимодействия электронов с лежащей в основе атомной решеткой”, - сказал Джустино.
Например, по словам Джустино, в случае с галогенидными перовскитами обнаруженные ими большие поляроны потребовали моделирования ячеек примерно из полумиллиона атомов, что невозможно изучить стандартными методами.
Сотрудничество и будущие приложения
Для управления этими вычислениями на суперкомпьютере Джустино и его сотрудники из Остина и других стран разработали EPW, код интерфейса Fortran с открытым исходным кодом и передачей сообщений, который вычисляет свойства, связанные с электрон-фононным взаимодействием. Код EPW специализируется на изучении того, как электроны взаимодействуют с колебаниями в решетке твердого тела, что вызывает образование поляронов. В настоящее время этот код разрабатывается международным сообществом под руководством Джустино.
“Наше сотрудничество с TACC - это нечто большее, чем просто использование передовых вычислительных ресурсов”, - сказал Джустино. “Самая важная часть - это взаимодействие с людьми. Они сыграли важную роль в том, чтобы помочь нам профилировать код и убедиться, что мы избегаем узких мест, применяя инструменты профилирования, которые помогают нам изучать снижение производительности. Большая часть работы над кодом EPW выполняется в сотрудничестве с экспертами TACC, которые помогают нам улучшить масштабирование кода для достижения оптимальной производительности суперкомпьютеров ”.
Исследования Джустино поларона были выбраны в рамках программы TACC Characteristic Science Applications (CSA), финансируемой Национальным научным фондом (NSF). Около дюжины проектов CSA лягут в основу проектирования следующего вычислительного комплекса лидерского класса NSF под названием Horizon, разрабатываемого в TACC.
“Работа CSA моей группы и TACC по оптимизации кода EPW позволяет нам расширять границы того, что можно исследовать, понимая и открывая новые, важные материалы. Это комбинация теории, алгоритмов и высокопроизводительных вычислений, в ходе которой мы много общались с нашими коллегами из TACC, чтобы убедиться, что мы используем суперкомпьютеры наиболее эффективным из возможных способов ”, - сказал Джустино.
Другим возможным применением является разработка сегнетоэлектрических запоминающих устройств, компьютерной памяти, которая может быть более компактной. В ней информация кодируется посредством вибрации атомов в кристалле под действием приложенного электрического поля.
“Инвестиции в высокопроизводительные вычисления и вычисления будущего необходимы для науки”, - заключил Джустино. “Это требует крупных инвестиций, подобных тем, которые поддерживают и расширяют такие объекты, как TACC”.