超计算有助于研究二维材料

超计算有助于研究二维材料

HPC帮助研究人员了解观察双层石墨烯中锂原子实时运动的实验,为电池和其他电子产品的新材料设计铺平了道路。

无论是高温超导体,还是对可弯曲的金属和织物的储能能力得到改善,材料科学家都在研究和理解固体中相互作用原子的物理特性,最终找到改善我们日常生活各个方面所用材料的方法。

然而,材料科学研究的前沿并不在于炼金术的尝试和错误;为了更好地理解和改进材料,今天的研究人员必须能够在原子尺度和极端条件下研究材料的性质。因此,研究人员越来越多地依赖模拟来补充或告知实验材料的特性和行为。

由赫尔姆霍兹-泽特鲁姆-德累斯顿-罗森多夫中心的物理学家阿尔卡迪-克拉申尼科夫博士领导的一个研究小组,与实验人员合作回答有关材料性质的基本问题,该小组最近有了一个重大突破,实验人员能够实时观察锂原子在介于两张石墨烯薄膜。石墨烯片是研究人员所认为的二维材料,因为它只有一个原子厚,这使得在透射电子显微镜(TEM)实验中观察锂原子的运动成为可能。

通过高斯超级计算中心(Gauss Centre of Supercomputing,GCS)获得超级计算资源,Krasheninnikov的团队能够使用斯图加特(Stuttgart)的高性能计算中心(Hazel-hen)超级计算机来模拟、确认和扩展团队的实验结果。这项合作工作最近发表在《自然》杂志上。

Krasheninnikov说:“二维材料显示出有用和令人兴奋的特性,可以用于许多不同的应用,不仅仅是作为TEM的支撑。”“基本上,二维材料是材料研究的前沿。这些材料大概有几千种,实际上已经制造了大约50种。”

在显微镜下

为了更好地理解二维材料的实验,研究人员现在经常使用透射电镜。这种方法可以让研究人员悬浮一小块材料,然后在其上发射一束高能电子束,最终形成研究人员可以研究的材料的放大图像,就像电影放映机从卷轴上拍摄图像并将其投射到更大的屏幕上一样。利用这种材料观,实验学家可以更好地绘制和估计原子的位置和排列。高能束不仅可以帮助研究人员观察材料,而且是研究二维材料电子性质的工具。此外,研究人员还可以利用来自TEM的高能电子,从高精度的材料中击出单个原子,以观察材料的行为是如何根据结构变化而变化的。

最近,斯图加特马克斯普朗克固态研究所和乌尔姆大学的实验人员想更好地了解锂粒子是如何在两个原子薄层石墨烯之间相互作用的。更好地理解锂插层,或者在另一种材料层之间放置锂(在本例中是石墨烯),有助于研究人员开发设计更好电池技术的新方法。实验人员从TEM中获得数据,并要求Krasheninnikov和他的合作者使用模拟使实验合理化。

通过模拟,研究人员可以从不同的角度看到一种材料的原子结构,而且它们也有助于加速通过实验设计新材料的试错方法。Krasheninnikov说:“模拟无法完成全部工作,但它们确实可以限制可能的变种数量,并显示出前进的方向。”“模拟为从事基础研究和工业的人们节省了资金,因此,计算机建模越来越流行。”

在这种情况下,Krasheninnikov和他的合作者发现,实验者的原子坐标或粒子在材料中的位置将不稳定,这意味着材料将违背量子力学的定律。利用模拟数据,Krasheninnikov和他的合作者提出了一种不同的原子结构,当团队重新进行实验时,发现与模拟完全匹配。

Krasheninnikov说:“有时你并不需要很高的理论来根据实验结果来理解原子结构,但有时如果没有与实验相结合的精确计算方法来理解原子结构是不可能的。”

实验学家第一次能够实时观察锂原子在置于两个石墨烯片之间时的行为,并借助模拟,深入了解原子的排列方式。先前假设在这样的安排下,锂将被构造成一个单原子层,但模拟显示锂可以形成双层或三层,至少在双层石墨烯中,领导研究人员寻找提高电池效率的新方法。

向前充电

Krasheninnikov指出,虽然模拟在过去十年里取得了很大进展,但仍有改进的空间。该团队可以有效地在一段时间内对1000个原子系统进行第一原理模拟,以观察短期(纳秒级)的材料相互作用。下一代超级计算机的核心运算量越大,研究人员就可以在他们的模拟中加入更多的原子,这意味着他们可以模拟出更真实、更有意义的材料切片。

Krasheninnikov认为,更大的挑战与研究人员模拟物质相互作用的时间有关。为了研究在较长时间内发生的现象,例如,应力如何在金属中形成和传播裂纹,研究人员需要能够模拟几分钟甚至几小时来观察材料是如何变化的。也就是说,研究人员还需要在他们的模拟中采取非常小的时间步骤来精确地模拟超快速的原子相互作用。简单地使用更多的计算核心可以让研究人员更快地为更大的系统进行计算,但是如果达到某个“并行化”阈值,就不能使每个时间步都更快。

打破这种僵局需要研究人员重新编写算法,以便更有效地计算跨越大量内核的每个时间步。Krasheninnikov还指出,设计基于量子计算的代码可以使模拟能够观察在较长时间内发生的物质现象,量子计算机“可能是模拟量子现象的完美之选。不管研究者朝哪个方向发展,Krasheninnikov指出,通过GCS和Prace获得超级计算资源使他和他的团队不断取得进展。他说:“如果没有良好的计算资源,我们的团队就无法进行良好的研究。”

– Eric Gedenk

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