Хотя большинство фундаментальных математических уравнений, описывающих электронные структуры, давно известны, они слишком сложны, чтобы их можно было решить на практике. Это тормозило прогресс в физике, химии и материаловедении. Благодаря современным высокопроизводительным вычислительным кластерам и созданию метода моделирования теории функционала плотности (DFT) исследователи смогли изменить эту ситуацию. Однако даже с помощью этих инструментов моделируемые процессы во многих случаях по-прежнему значительно упрощаются. Теперь физикам из Центра перспективных систем понимания (CASUS) и Института радиационной физики в Центре Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) удалось значительно улучшить метод DFT. Это открывает новые возможности для экспериментов с лазерами сверхвысокой интенсивности.
В новой публикации руководитель группы молодых исследователей д-р Тобиас Дорнхейм, ведущий автор д-р Жандос Молдабеков (оба CASUS, HZDR) и д-р Ян Форбергер (Институт радиационной физики, HZDR) берутся за одну из самых фундаментальных задач нашего времени. : точное описание того, как взаимодействуют миллиарды квантовых частиц , таких как электроны. Эти так называемые квантовые системы многих тел лежат в основе многих областей исследований в физике, химии, материаловедении и смежных дисциплинах. Действительно, большинство материальных свойствопределяются сложным квантовомеханическим поведением взаимодействующих электронов. Хотя фундаментальные математические уравнения, описывающие электронные структуры, в принципе давно известны, они слишком сложны, чтобы их можно было решить на практике. Таким образом, фактическое понимание тщательно разработанных материалов остается очень ограниченным.
Эта неудовлетворительная ситуация изменилась с появлением современных высокопроизводительных вычислительных кластеров, которые породили новую область вычислительной квантовой теории многих тел. Здесь особенно успешным инструментом является теория функционала плотности (DFT), которая дала беспрецедентное понимание свойств материалов. В настоящее время DFT считается одним из наиболее важных методов моделирования в физике, химии и материаловедении. Он особенно хорошо подходит для описания многоэлектронных систем. Действительно, количество научных публикаций, основанных на расчетах DFT, экспоненциально росло за последнее десятилетие, и компании использовали этот метод для успешного расчета свойств материалов с такой точностью, как никогда раньше.
Преодоление резкого упрощения
Многие такие свойства, которые можно рассчитать с помощью DFT, получены в рамках теории линейного отклика. Эта концепция также используется во многих экспериментах, в которых измеряется (линейный) отклик интересующей системы на внешнее возмущение, такое как лазер. Таким образом можно диагностировать систему и получить важные параметры, такие как плотность или температура. Теория линейного отклика часто в первую очередь делает возможным эксперимент и теорию и почти повсеместно используется в физике и смежных дисциплинах. Тем не менее, это все еще резкое упрощение процессов и сильное ограничение.
В своей последней публикации исследователи открывают новые горизонты, расширяя метод DFT за пределы упрощенного линейного режима. Таким образом, нелинейные эффекты в таких величинах, как волны плотности, тормозная способность и структурные факторы, могут быть рассчитаны и впервые сопоставлены с экспериментальными результатами для реальных материалов.
До этой публикации эти нелинейные эффекты воспроизводились только с помощью набора сложных методов расчета, а именно квантового моделирования методом Монте-Карло. Несмотря на получение точных результатов, этот метод ограничен ограниченными системными параметрами, так как требует больших вычислительных мощностей. Следовательно, существует большая потребность в более быстрых методах моделирования.
«Подход DFT, который мы представляем в нашей статье, в 1000–10 000 раз быстрее, чем квантовые вычисления методом Монте-Карло», — говорит Жандос Молдабеков. «Более того, мы смогли продемонстрировать в температурных режимах от температуры окружающей среды до экстремальных условий , что это не в ущерб точности. Основанная на DFT методология нелинейных характеристик отклика квантово-коррелированных электронов открывает заманчивую возможность для изучения новых нелинейных явлений в сложных материалах».
Больше возможностей для современных лазеров на свободных электронах
«Мы видим, что наша новая методология очень хорошо соответствует возможностям современных экспериментальных установок, таких как международная линия Гельмгольца для экстремальных месторождений, которая сотрудничает с HZDR и введена в эксплуатацию совсем недавно», — объясняет Ян Форбергер. «С мощными лазерами и лазерами на свободных электронах мы можем создавать именно те нелинейные возбуждения, которые мы теперь можем изучать теоретически и исследовать с беспрецедентным временным и пространственным разрешением. Теоретические и экспериментальные инструменты готовы к изучению новых эффектов в веществе в экстремальных условиях, которые раньше не было доступно».
«Эта статья — отличный пример, иллюстрирующий направление, в котором движется моя недавно созданная группа, — говорит Тобиас Дорнхейм, руководитель группы молодых исследователей «Границы вычислительной квантовой теории многих тел», созданной в начале 2022 года. — Мы были в основном активны. в сообществе физики высокой плотности энергии в последние годы. Теперь мы стремимся раздвинуть границы науки, предоставляя вычислительные решения квантовых проблем многих тел во многих различных контекстах. Мы считаем, что нынешний прогресс в теории электронной структуры будет полезно для исследователей в ряде областей исследований».
