De focus en het uiteindelijke doel van computationeel onderzoek in materiaalkunde en fysica van gecondenseerde materie is om de Schrödinger-vergelijking - de fundamentele vergelijking die beschrijft hoe elektronen zich in materie gedragen - exact op te lossen (zonder toevlucht te nemen tot vereenvoudigende benaderingen). Hoewel experimenten zeker interessante inzichten kunnen opleveren in de eigenschappen van een materiaal, het zijn vaak berekeningen die het onderliggende fysieke mechanisme onthullen. Echter, berekeningen hoeven niet afhankelijk te zijn van experimentele gegevens en kunnen, in feite, zelfstandig worden uitgevoerd, een benadering die bekend staat als "ab initio berekeningen". De dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) is een populair voorbeeld van een dergelijke benadering.

Voor de meeste materiaalwetenschappers en fysici van gecondenseerde materie, DFT-berekeningen zijn het brood en de boter van hun vak. Echter, ondanks dat het een krachtige techniek is, DFT heeft beperkt succes gehad met "sterk gecorreleerde materialen" - materialen met ongebruikelijke elektronische en magnetische eigenschappen. Deze materialen, op zichzelf al interessant, beschikken ook over technologisch nuttige eigenschappen, een feit dat een sterke motivatie vormt voor een ab initio-kader dat geschikt is om ze te beschrijven.

Daartoe, een raamwerk dat bekend staat als "ab initio quantum Monte Carlo" (QMC) is veelbelovend gebleken en zal naar verwachting de volgende generatie elektronische structuurberekeningen zijn vanwege zijn superioriteit ten opzichte van DFT. Echter, zelfs QMC is grotendeels beperkt tot berekeningen van energie en atomaire krachten, het beperken van het nut ervan bij het berekenen van nuttige materiaaleigenschappen.

Nutsvoorzieningen, in een baanbrekende studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling B (Suggestie van de redactie), wetenschappers hebben de zaken naar een hoger niveau getild op basis van een benadering waarmee ze de statistische fout in de evaluatie van de atoomkracht met twee ordes van grootte kunnen verminderen en vervolgens de berekening met een factor 10 kunnen versnellen ⁴ ! "De drastische vermindering van de rekentijd zal het bereik van QMC-berekeningen aanzienlijk vergroten en een zeer nauwkeurige voorspelling mogelijk maken van atomaire eigenschappen van moeilijk te hanteren materialen, " merkt assistent-professor Kousuke Nakano van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) op, WHO, samen met zijn collega's Prof. Ryo Maezono van JAIST, Prof. Sandro Sorella van International School for advanced Studies (SISSA), Italië, en Dr. Tommaso Morresi en Prof. Michele Casula van de Sorbonne Université, Frankrijk, leidde deze baanbrekende prestatie.

Het team paste hun ontwikkelde methode toe om de atomaire trillingen van diamant te berekenen, een typisch referentiemateriaal, als een proof-of-concept en toonde aan dat de resultaten consistent waren met experimentele waarden. Om deze berekeningen uit te voeren, ze gebruikten een grote computer, Cray-XC40, gevestigd in het Research Center for Advanced Computing Infrastructure van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japan, samen met een andere op RIKEN, Japan. Het team maakte gebruik van een QMC-softwarepakket genaamd "TurboRVB, " aanvankelijk gelanceerd door Prof. Sorella en Prof. Casula en later ontwikkeld door Prof. Nakano samen met anderen, om fonon-dispersieberekeningen uit te voeren voor diamant die voorheen ontoegankelijk waren, haar reikwijdte enorm uitbreidt.

Prof. Nakano kijkt uit naar de toepassingen van QMC in materiaalinformatica (MI), een veld dat zich toelegt op het ontwerpen en zoeken naar nieuwe materialen met behulp van technieken uit de informatiewetenschap en computationele fysica. "Hoewel MI momenteel wordt bestuurd door DFT, de snelle ontwikkelingen op het gebied van computerprestaties, zoals de exascale supercomputer, zal QMC aan populariteit helpen winnen. In dat opzicht, onze ontwikkelde methode zal zeer nuttig zijn voor het ontwerpen van nieuwe materialen met real-life toepassingen, " concludeert een optimistische Dr. Nakano.