Американские исследователи освоили моделирование движения 24 000 электронов в режиме реального времени

Коллектив исследователей из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) и Северокаролинского университета разработал инновационный подход, который позволяет моделировать поведение до 24 000 электронов в материалах в режиме реального времени — в их естественном временном интервале.

Этот значимый прорыв основан на усовершенствовании метода временно-зависимой теории функционала плотности (RT-TDDFT), который детально исследует изменения электронной плотности под влиянием электрических и электромагнитных полей, таких как свет. Моделирование осуществляется через открытую программную платформу Real-space Multigrid (RMG).

Заслуживает внимания тот факт, что 24 000 электронов эквивалентны системе из 4000 атомов углерода или 2400 молекул воды, с учётом полного динамического анализа всех электронов.

«Вы можете представить себе замедленное видео, демонстрирующее реакцию всех электронов в небольшом металлическом сегменте на световой импульс, но с квантовой точностью,» — поясняет Джасек Яковски из ORNL.

Эти обширные вычисления требуют одного из самых мощных суперкомпьютеров в мире. Метод открывает новые перспективы для предсказания поведения новых материалов, что может способствовать созданию более эффективных солнечных батарей, высокоскоростных компьютеров и новых квантовых технологий.

Подход RT-TDDFT предоставляет ценные данные о неравновесной динамике и возбужденных состояниях в разнообразных системах — от небольших органических молекул до крупных металлических наночастиц. Исследователи подчеркивают, что металлические наночастицы — размером от 1 до 100 нанометров — обладают уникальными оптическими свойствами из-за коллективного поведения тысяч электронов.

Понимание динамики электронов в подобных наноматериалах является важным для развития передовых технологий. Ранее основной вызов заключался в точной имитации сверхбыстрых процессов на наномасштабе. Достигнутое продвижение позволит создавать материалы с управляемыми оптическими, электронными и магнитными характеристиками, а также даст толчок развитию устройств для квантовой информатики и спинтроники.

Источник: iXBT