Door rekenintensieve kwantum Monte Carlo-simulaties uit te voeren bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, onderzoekers hebben het vermogen aangetoond om de magnetische eigenschappen van een titaniumoxidemateriaal dat nuttige eigenschappen voor hernieuwbare energie en computertechnologieën vertoont, nauwkeurig te berekenen.

Uw huis is waarschijnlijk bezaaid met titaniumdioxide (TiO2), van de verf op je muren, tot de zonnebrandcrème en tandpasta in je badkamer, naar de papieren op je bureau. Een briljant wit poeder, titaandioxide is een overgangsmetaaloxide dat veel gunstige eigenschappen heeft, waaronder optische en katalytische.

"Titaniumoxiden zijn veelzijdige overgangsmetaalverbindingen die voor een reeks toepassingen kunnen worden gebruikt, inclusief elektronische apparaten en fotokatalyse, " zei Olle Heinonen, materiaalwetenschapper bij Argonne National Laboratory.

Hoewel titaandioxide misschien wel het meest bekende materiaal van titaanoxide is, een van zijn derivaten, Ti ₄ O ₇ , is een ander interessant materiaal vanwege de mogelijke toepassingen in resistieve geheugens en op oxide gebaseerde brandstofcelelektroden. Om dergelijke toepassingen te verkennen, wetenschappers moeten de elektronische en magnetische eigenschappen ervan beter begrijpen.

Met de rekenkracht van Mira, de 10 petaflops IBM Blue Gene/Q supercomputer van de ALCF, onderzoekers hebben, Voor de eerste keer, nauwkeurig berekend de magnetische eigenschappen van Ti ₄ O ₇ met quantum Monte Carlo (QMC) simulaties.

De resultaten van het team, gepubliceerd in Fysische chemie Chemische fysica , onthul de Ti ₄ O ₇ grondtoestand - de eigenschappen van het materiaal bij de laagst mogelijke energietoestand. Door de grondtoestand nauwkeurig te berekenen, onderzoekers kunnen veel belangrijke materiaaleigenschappen bepalen of afleiden, zoals kristalstructuur, geleidbaarheid, en magnetisme.

"Het berekenen van de grondtoestand is cruciaal voor computationele voorspellingen van het gedrag van een materiaal in realistische omstandigheden waarin temperatuur, druk, en de tijd kan zijn structuur veranderen, " zei Anouar Benali, ALCF computational scientist en hoofdauteur van de studie.

omdat Ti ₄ O ₇ heeft verschillende magnetische toestanden die qua energie dicht bij elkaar liggen, wetenschappers waren voorheen niet in staat om de grondtoestand definitief te bepalen door middel van experimenten of andere computationele methoden, zoals dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). Echter, met toegang tot Mira, het onderzoeksteam was in staat om QMC-berekeningen uit te voeren die hielpen bij het oplossen van de al lang bestaande onzekerheid met Ti ₄ O ₇ door de drie magnetische fasen te identificeren die de grondtoestand van het materiaal in gevaar brengen.

Hoewel QMC maar liefst 1 000 keer de rekenkracht van een typische DFT-berekening, de methode is in staat om de complexe interacties tussen vele elektronen nauwkeurig te berekenen. Vanwege de rekenkosten, QMC-simulaties waren ooit beperkt tot het modelleren van systemen van kleine atomen of moleculen, maar de opkomst van supercomputers zoals Mira heeft het nu mogelijk gemaakt om QMC te gebruiken voor rigoureuze berekeningen op meer gecompliceerde materialen.

voor de Ti ₄ O ₇ studie, onderzoekers gebruikten de QMCPACK-applicatie ontwikkeld door Argonne, Eiken Ridge, Sandia, en Lawrence Livermore nationale laboratoria. Door de meest rekenintensieve delen van QMCPACK te herschrijven met behulp van compilerspecifieke extensies (vector-intrinsieken genoemd) om de IBM Blue Gene/Q-processor beter te benutten, ALCF computationele wetenschappers, inclusief Benali, jij Luo, en Vitali Morozov, waren in staat om de QMCPACK-prestaties op Mira met 30 procent te verbeteren. Aanvullend, door code te herschrijven om enkele precisie te gebruiken in plaats van dubbele precisie in belangrijke datastructuren, ze verminderden de hoeveelheid gegevens die in het geheugen moest worden opgeslagen met 45 procent.

"Deze codeverbeteringen stelden ons in staat om grotere elektronische systemen in een kortere tijd te bestuderen, ' zei Benali.