Группа учёных из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) совместно с Северокаролинским университетом разработала уникальную методику, позволяющую моделировать поведение до 24 000 электронов в материалах в реальном времени — то есть в естественном временном масштабе, а не ускоренном вычислительном.
Этот прорыв основан на расширении метода временно-зависимой теории функционала плотности (RT-TDDFT), который позволяет детально проследить, как электронная плотность в материале меняется под воздействием электрических и электромагнитных полей, например, света. Моделирование реализовано в открытом программном пакете Real-space Multigrid (RMG).
Впечатляет, что 24 000 электронов — это примерно эквивалент системы из 4000 атомов углерода или 2400 молекул воды, с полным учётом динамики всех электронов.
«Представьте, что вы смотрите замедленное видео, показывающее, как все электроны в крошечном участке металла реагируют на вспышку света, но с квантовой точностью», — объясняет Джасек Яковски из ORNL.
Для запуска таких масштабных вычислений требуется один из самых мощных суперкомпьютеров в мире. Подход открывает новые возможности для прогнозирования поведения новых материалов, что может привести к созданию более эффективных солнечных элементов, быстродействующих компьютеров и новых квантовых технологий.
Метод RT-TDDFT даёт ценную информацию о неравновесной динамике и возбужденных состояниях в разнообразных системах — от маленьких органических молекул до крупных металлических наночастиц. Учёные отмечают, что металлические наночастицы — частицы размером от 1 до 100 нанометров — обладают уникальными оптическими свойствами из-за коллективного поведения тысяч электронов.
Понимание динамики электронов в таких наноматериалах важно для развития передовых технологий. Ранее основная сложность заключалась в том, чтобы точно смоделировать сверхбыстрые процессы на наномасштабе. Достигнутый прогресс позволит создавать новые материалы с регулируемыми оптическими, электронными и магнитными свойствами, а также ускорит развитие устройств для квантовой информации и спинтроники.