El software de ciencia de materiales permite respuestas de alta fidelidad a preguntas sobre principios básicos

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Fuente: https://www.nrel.gov/

El próximo taller ofrecerá tutoriales de Questaal e introducción al paquete de software

Para entender cómo funcionan las cosas, debemos pensar en pequeño. Realmente pequeño. Los procesos que afectan la apariencia o el comportamiento de los materiales ocurren a nivel atómico. Ése es un lugar clave para que los investigadores comiencen, pero estos desafíos a escala atómica son difíciles porque requieren que los investigadores resuelvan las ecuaciones subyacentes de la física cuántica, que son costosas y computacionalmente intensivas.

Imagen brillante similar a una estrella que representa el potencial de brecha superconductora en FeSe.
Esta imagen muestra una predicción del potencial de brecha superconductora en el seleniuro de hierro.

Questaal, un conjunto de programas de estructuras electrónicas del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) que responde preguntas de la teoría de la materia condensada sobre estructuras de estado sólido, puede ayudar a los investigadores a responder esas preguntas a nivel atómico con una teoría basada en diagramas de Feynman. Questaal simplifica los procesos computacionales intensivos resolviendo ecuaciones de física cuántica de manera eficiente y con alta fidelidad.

Comprender las propiedades a nivel atómico es la clave para desbloquear un mejor desarrollo de materiales.

«Questaal puede dar una imagen de alta fidelidad de cómo se comportan las cosas a una escala muy pequeña, lo cual es crucial para comprender las cosas a gran escala», dijo Mark van Schilfgaarde, teórico jefe del NREL.

Cómo Questaal desarrolla una imagen más clara de los materiales a nivel atómico

Questaal permite a los investigadores modelar las propiedades de los materiales con alta fidelidad utilizando el formalismo de la función de Green basado en diagramas de Feynman, que están integrados en el software. Al resolver esas ecuaciones básicas, el software ayuda a responder preguntas clave sin necesidad de modelos o suposiciones empíricas. Las propiedades a escala macroscópica están determinadas por procesos a escala microscópica. Para controlar las propiedades físicas y químicas deseables, los investigadores deben tener una comprensión completa del proceso subyacente. Por ejemplo, comprender cómo una molécula se transforma en otra molécula o por qué las reacciones químicas cambian cuando se aplica luz ayuda a comprender el material a mayor escala.

Una ventaja clave de Questaal es que proporciona respuestas de alta fidelidad a preguntas sobre materiales más allá de lo que pueden producir los métodos funcionales de densidad, y lo hace a un costo computacional menor que el uso de métodos químicos cuánticos.

«Los métodos de Questaal son algo así como la historia de Ricitos de Oro: proporcionan un camino intermedio eficiente y ‘perfecto’ con respuestas de alta fidelidad», dijo van Schilfgaarde. «Son computacionalmente más costosos que los métodos funcionales de densidad, pero tienen una fidelidad mucho mayor. No son tan precisos como los métodos químicos cuánticos, pero el costo es mucho menor y es mejor escalar con el tamaño del sistema».

Si bien la teoría del funcional de la densidad es un método predominante para comprender los materiales a nivel atómico, proporciona aproximaciones que no siempre son precisas. En los métodos funcionales de densidad, las aproximaciones suelen ser demasiado estrictas, lo que hace que los resultados no sean lo suficientemente precisos para explicar cuantitativamente una propiedad material; un mayor grado de libertad conlleva un mayor poder para encontrar resultados significativos.

Questaal emplea una forma autoconsistente de teoría de perturbaciones de muchos cuerpos, comenzando con la aproximación GW, que le permite aproximarse con precisión al estado de las moléculas que interactúan. Las aproximaciones de Questaal ayudan a explicar principios básicos relacionados con el comportamiento de los materiales. Investigaciones recientes involucradas por Questaal han analizado lo que explica el origen de la superconductividad en el seleniuro de hierro y también han descrito excitones en compuestos de metales de transición fuertemente correlacionados, como NiO y MoS 2 . Aunque el tema es muy diferente en los dos casos, ambos tipos de estudios pueden ayudar a diseñar un nuevo tipo de qubit para computadoras cuánticas.

Buscando la esencia de materiales y moléculas

Por lo general, los principios operativos de dispositivos prácticos (como una célula solar o un catalizador) dependen principalmente de unas pocas propiedades centrales (como la banda prohibida de la célula solar o la barrera de reacción del catalizador) y, normalmente, estas propiedades se determinan a escala atómica.

«Desarrollamos Questaal para comprender las propiedades y comportamientos básicos de las moléculas», dijo van Schilfgaarde. «Si bien otros modelos pueden proporcionar una aproximación a la realidad, estamos buscando mejores enfoques para proporcionar una descripción más verdadera de las propiedades a escala atómica que hagan que la comprensión de los materiales a mayor escala sea más efectiva».

Únase a NREL para un taller Questaal de varios días

El NREL organiza un taller de varios días del 11 al 14 de marzo de 2024 que proporcionará una introducción general a la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos ab initio y las aplicaciones de Questaal. Los asistentes podrán participar en tutoriales sobre el uso del código.

Obtenga más información sobre el taller y regístrese para el evento .

Explore el paquete de software Questaal .

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