Vedci zo Spojených štátov amerických dokázali to, čo bolo doteraz v oblasti kvantových simulácií len veľmi ťažko predstaviteľné. Vytvorili model, ktorý dokáže v reálnom čase sledovať pohyb desiatok tisíc elektrónov v materiáloch.

Prelomový výskum vznikol v spolupráci medzi Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a North Carolina State University (NCSU) a ponúka jedinečný pohľad na dynamiku elektrónov mimo rovnovážneho stavu, čo má obrovský potenciál pre vývoj nových technológií ako sú pokročilé fotovoltaické články či kvantové informačné systémy.

Zvládnu ich len tie najlepšie počítače

Celý projekt stojí na metóde známej ako RT-TDDFT – real-time, time-dependent density functional theory. Ide o kvantovo-mechanický nástroj, ktorý umožňuje simulovať, ako sa elektróny v materiáli správajú, keď sú vystavené vonkajšiemu podnetu, napríklad záblesku svetla. Výskumníci v článku publikovanom v Journal of Chemical Theory and Computation predstavili rozšírenie tejto metódy v rámci open-source kódu Real-space Multigrid (RMG), ktorý je schopný modelovať systémy až s 24-tisíc elektrónmi. Pre predstavu, ide o množstvo zodpovedajúce približne 4 000 atómom uhlíka alebo 2 400 molekulám vody.

„Ide o niečo ako spomalený záznam, ktorý sleduje každý jednotlivý elektrón v maličkom kúsku kovu, ako reaguje na svetelný záblesk – ale na kvantovej úrovni a v extrémnom detaile,“ uviedol hlavný výskumník ORNL Jacek Jakowski. Výpočty sú natoľko náročné, že ich zvládnu len tie najvýkonnejšie superpočítače na svete. No práve vďaka tejto úrovni presnosti dokážu vedci predpovedať, ako sa nové materiály budú správať, čo by mohlo viesť k účinnejším solárnym panelom, rýchlejším počítačom a kvalitnejším kvantovým technológiám.

ORNL, Dept. of Energy

Veľký prínos

Jedným z najväčších prínosov tejto práce je možnosť sledovať a pochopiť, ako sa tisíce elektrónov v materiáloch pohybujú, keď sú vyvedené z rovnováhy. Tieto tzv. nonequilibrium dynamiky sú kľúčové pre vývoj materiálov s jedinečnými vlastnosťami. Výskum sa však neobmedzuje len na organické molekuly.

Metóda bola úspešne použitá aj na veľké kovové nanočastice, teda materiály, ktoré majú aspoň jednu dimenziu v rozsahu 1 až 100 nanometrov. Práve tieto nanočastice majú špecifické optické vlastnosti spôsobené interakciou elektrónov so svetlom, čo je pre vedcov nesmierne dôležité pri navrhovaní nových technológií.

„Tieto vývojové pokroky sú sľubné pre vytváranie nových zariadení s prispôsobenými elektronickými, optickými a magnetickými vlastnosťami,“ zdôraznil profesor Bernholc z NCSU. Nová metóda totiž vedcom dáva možnosť nielen modelovať existujúce materiály, ale aj navrhovať úplne nové s konkrétnymi vlastnosťami, čo zásadne urýchľuje experimentálny výskum a otvára dvere k objavom v oblastiach ako spintronika či kvantová informačná veda.

Ďalšími krokmi výskumného tímu budú simulácie ešte zložitejších scenárov, ktoré by mohli odhaliť nové javy v kvantových systémoch. Rovnako plánujú zvyšovať presnosť a efektivitu svojej metódy, aby zvládli ešte rozsiahlejšie a zložitejšie simulácie a tým pokračovali v posúvaní hraníc toho, čo je možné v kvantovej simulácii dosiahnuť.

Čítajte viac z kategórie: Novinky