Een nieuw stuk software dat bij Caltech is ontwikkeld, maakt het gemakkelijker om het gedrag van elektronen in materialen te bestuderen, zelfs materialen die zijn voorspeld maar nog niet bestaan. De software, genaamd Perturbo, wint aan populariteit onder onderzoekers.

Perturbo berekent op kwantumniveau hoe elektronen interageren en bewegen binnen een materiaal, het verstrekken van nuttige microscopische details over de zogenaamde elektronendynamica. Met dit soort simulatie kunnen onderzoekers voorspellen hoe goed zoiets als een metaal of halfgeleider elektriciteit zal geleiden bij een bepaalde temperatuur, of hoe de elektronen in een materiaal zullen reageren op licht, bijvoorbeeld. De software heeft nu ongeveer 250 actieve gebruikers, zegt Marco Bernardi, universitair docent toegepaste natuurkunde en materiaalkunde. Perturbo is ontwikkeld door Bernardi's lab, in een teaminspanning onder leiding van Bernardi en Jin-Jian Zhou, een voormalig postdoctoraal wetenschapper die nu een assistent-professor is aan het Beijing Institute of Technology.

Perturbo kan modelleren hoe elektronen die door een materiaal bewegen, interageren met de atomen waaruit het materiaal bestaat. Terwijl de elektronen er doorheen stromen, ze botsen met deze atomen, die altijd trillen. De manier waarop die botsingen plaatsvinden en hoe vaak ze voorkomen, bepalen de elektrische eigenschappen van een materiaal. Dezelfde interacties bepalen ook het gedrag van materialen die worden geëxciteerd met licht, bijvoorbeeld in een zonnecel of in ultrasnelle spectroscopie-experimenten. Deze laatste onderzoeken de beweging van elektronen en atomen op zeer korte tijdschalen (tot een miljoenste miljardste van een seconde, een femtoseconde), en Perturbo biedt nieuwe rekenhulpmiddelen om deze geavanceerde experimenten te interpreteren.

"Typisch, het belangrijkste mechanisme dat het transport van elektronen beperkt, is atomaire beweging, of zogenaamde fononen, Bernardi zegt. "Door deze elektron-fonon-interacties te kunnen berekenen, zijn deze studies van transport en ultrasnelle dynamica mogelijk, nauwkeurig, en efficiënt. Met deze methode zou je de microscopische fysica van een groot aantal verbindingen kunnen onderzoeken en die informatie kunnen gebruiken om betere materialen te ontwikkelen."

Bernardi zegt dat Perturbo een grote vooruitgang in het veld vertegenwoordigt, die in het verleden voornamelijk vertrouwde op eenvoudige modellen die waren gebaseerd op experimenten in de echte wereld.

"In 1980, papers die elektrisch transport in zelfs eenvoudige halfgeleiders bestuderen, bevatten tabellen met tientallen parameters om elektroneninteracties te beschrijven. Het veld is sindsdien niet zo veel geëvolueerd, " hij zegt.

De eerste versie van Perturbo werd iets meer dan een jaar geleden uitgebracht, en sindsdien heeft het gestaag gebruikers gekregen. Twee virtuele workshops die afgelopen herfst door Bernardi's groep werden gehouden, hebben honderden nieuwe gebruikers van Perturbo opgeleid, waaronder enkele van onderzoeksgroepen bij Caltech, zegt Bernardi.

Perturbo is ontworpen om op moderne supercomputers te draaien, Bernardi zegt, en in een artikel dat deze maand is gepubliceerd in het tijdschrift Computer Physics Communications, het Perturbo-onderzoeksteam toont aan dat het efficiënt kan werken op een computer met duizenden verwerkingskernen. Het is ook ontworpen om volledig te profiteren van de volgende generatie grote computers, de zogenaamde exascale supercomputers.

"Het komende decennium we zullen doorgaan met het uitbreiden van de mogelijkheden van onze code, en maak het de go-to voor eerste-principes berekeningen van elektronendynamica, Bernardi zegt. "We zijn extreem ambitieus voor wat we voor ogen hebben met deze code. Het kan momenteel zowel transportprocessen als ultrasnelle dynamiek onderzoeken, maar in de toekomst zullen de codemogelijkheden en het soort problemen dat we kunnen aanpakken blijven groeien."

Het artikel beschrijft Perturbo, getiteld, "Perturbo:een softwarepakket voor ab initio elektron-fonon interacties, ladingstransport en ultrasnelle dynamiek, " verschijnt in Computer Physics Communications.