Materialwissenschaftssoftware ermöglicht präzise Antworten auf Fragen zu Grundprinzipien

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Der nächste Workshop bietet Questaal-Tutorials und eine Einführung in die Software-Suite

Um zu verstehen, wie die Dinge funktionieren, müssen wir klein denken. Wirklich klein. Prozesse, die das Aussehen oder Verhalten von Materialien beeinflussen, finden auf atomarer Ebene statt. Das ist ein wichtiger Ausgangspunkt für Forscher, aber solche Herausforderungen im atomaren Maßstab sind schwierig, weil sie erfordern, dass die Forscher die zugrunde liegenden Gleichungen der Quantenphysik lösen, die rechenintensiv und teuer sind.

Questaal, eine Software-Suite elektronischer Strukturprogramme des National Renewable Energy Laboratory (NREL), die Fragen zur Theorie der kondensierten Materie zu Festkörperstrukturen beantwortet, kann Forschern dabei helfen, diese Fragen auf atomarer Ebene mit einer auf Feynman-Diagrammen basierenden Theorie zu beantworten. Questaal vereinfacht rechenintensive Prozesse, indem es quantenphysikalische Gleichungen effizient und mit hoher Genauigkeit löst.

Das Verständnis der Eigenschaften auf atomarer Ebene ist der Schlüssel zu einer besseren Materialentwicklung.

„Questaal kann Ihnen ein getreues Bild davon liefern, wie sich Dinge in sehr kleinem Maßstab verhalten, was für das Verständnis von Dingen im großen Maßstab von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Mark van Schilfgaarde, Cheftheoretiker am NREL.

Wie Questaal ein klareres Bild von Materialien auf atomarer Ebene entwickelt

Questaal ermöglicht es Forschern, die Eigenschaften von Materialien mit hoher Genauigkeit zu modellieren, indem es einen Green-Funktionsformalismus auf der Grundlage von Feynman-Diagrammen nutzt, die in die Software integriert sind. Durch die Lösung dieser Grundgleichungen hilft die Software bei der Beantwortung wichtiger Fragen, ohne dass empirische Modelle oder Annahmen erforderlich sind. Die Eigenschaften auf der makroskopischen Skala werden durch Prozesse auf der mikroskopischen Skala bestimmt. Um die gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften zu kontrollieren, müssen Forscher den zugrunde liegenden Prozess vollständig verstehen. Wenn man beispielsweise versteht, wie sich ein Molekül in ein anderes verwandelt oder warum sich chemische Reaktionen bei der Einwirkung von Licht ändern, kann man das Material in größerem Maßstab verstehen.

Ein wesentlicher Vorteil von Questaal besteht darin, dass es präzise Antworten auf Materialfragen liefert, die über die Frage hinausgehen, welche Dichtefunktionalmethoden erzeugen können, und dies zu geringeren Rechenkosten als bei der Verwendung quantenchemischer Methoden.

„Questaals Methoden ähneln in etwa der Goldlöckchen-Geschichte – sie bieten einen effizienten, ‚genau richtigen‘ Mittelweg mit Antworten mit hoher Wiedergabetreue“, sagte van Schilfgaarde. „Sie sind rechenintensiver als Dichtefunktionalmethoden, bieten aber eine viel höhere Genauigkeit. Sie sind nicht ganz so genau wie quantenchemische Methoden, aber die Kosten sind viel geringer und die Skalierung mit der Systemgröße ist besser.“

Während die Dichtefunktionaltheorie eine vorherrschende Methode zum Verständnis von Materialien auf atomarer Ebene ist, liefert sie Näherungen, die nicht immer genau sind. Bei Dichtefunktionalmethoden sind die Näherungen oft zu streng, sodass die Ergebnisse nicht genau genug sind, um eine Materialeigenschaft quantitativ zu erklären. Mit größeren Freiheitsgraden geht auch die Fähigkeit einher, aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Questaal verwendet eine selbstkonsistente Form der Vielteilchenstörungstheorie, beginnend mit der GW-Näherung – die es ermöglicht, den Zustand interagierender Moleküle genau zu approximieren. Questaals Näherungen helfen dabei, Grundprinzipien im Zusammenhang mit dem Verhalten von Materialien zu erklären. Jüngste von Questaal durchgeführte Forschungsarbeiten haben untersucht, was den Ursprung der Supraleitung in Eisenselenid erklärt und auch Exzitonen in stark korrelierten Übergangsmetallverbindungen wie NiO und MoS beschrieben₂. Obwohl die Thematik in beiden Fällen sehr unterschiedlich ist, können beide Arten von Studien dabei helfen, eine neue Art von Qubit für Quantencomputer zu entwerfen.

Auf der Suche nach der Essenz von Materialien und Molekülen

Normalerweise hängen die Funktionsprinzipien praktischer Geräte (z. B. einer Solarzelle oder eines Katalysators) hauptsächlich von einigen Kerneigenschaften ab (z. B. der Bandlücke der Solarzelle oder der Reaktionsbarriere des Katalysators), und typischerweise werden diese Eigenschaften auf atomarer Ebene bestimmt.

„Wir haben Questaal entwickelt, um die grundlegenden Eigenschaften und Verhaltensweisen von Molekülen zu verstehen“, sagte van Schilfgaarde. „Während andere Modelle eine Annäherung an die Realität liefern können, suchen wir nach besseren Ansätzen, um eine genauere Beschreibung der Eigenschaften auf atomarer Skala zu liefern, die das Verständnis von Materialien auf größerer Skala effektiver machen.“

Nehmen Sie am NREL an einem mehrtägigen Questaal-Workshop teil

NREL veranstaltet vom 11. bis 14. März 2024 einen mehrtägigen Workshop, der eine allgemeine Einführung bietet von Anfang an Vielteilchenstörungstheorie und Questaal-Anwendungen. Teilnehmer können an Tutorials zur Verwendung des Codes teilnehmen.

Erfahren Sie mehr über die Workshop besuchen und sich für die Veranstaltung anmelden.

Entdecke die Questaal-Software-Suite.

Nachrichtenartikel von NREL. Von Justin Daugherty.