Många kvantmaterial har varit nästan omöjliga att simulera matematiskt eftersom beräkningstiden som krävs är för lång. Nu, en gemensam forskargrupp vid Freie Universität Berlin och Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB, Tyskland) har visat ett sätt att avsevärt minska beräkningstiden. Detta kan påskynda utvecklingen av material för framtidens energieffektiva IT-tekniker.

Superdatorer är avgörande för att utforska komplexa forskningsproblem. I princip, även nya material kan simuleras i datorer för att beräkna deras magnetiska och termiska egenskaper såväl som deras fasövergångar. Guldstandarden för denna typ av modellering är känd som quantum Monte Carlo-metoden.

Våg-partikeldualism

Dock, denna metod har ett inneboende problem:På grund av den fysiska våg-partikeldualismen hos kvantsystem, varje partikel i en förening i fast tillstånd har inte bara partikelliknande egenskaper som massa och rörelsemängd, men också vågliknande egenskaper som fas. Interferens gör att "vågorna" överlagras på varandra, så att de antingen förstärker (lägger till) eller avbryter (subtraherar) varandra lokalt. Detta gör beräkningarna extremt komplicerade. Det hänvisas till teckenproblemet med quantum Monte Carlo-metoden.

Minimering av problemet

"Beräkningen av kvantmaterialegenskaper kostar ungefär en miljon timmars CPU på stordatorer varje dag, " säger prof. Jens Eisert, som leder den gemensamma forskargruppen vid Freie Universität Berlin och HZB. "Detta är en mycket stor del av den totala tillgängliga beräkningstiden." Tillsammans med sitt team, den teoretiska fysikern har nu utvecklat en matematisk procedur genom vilken beräkningskostnaden för teckenproblemet kan reduceras avsevärt. "Vi visar att solid-state-system kan ses ur väldigt olika perspektiv. Teckenproblemet spelar en annan roll i dessa olika perspektiv. Det handlar då om att hantera solid-state-systemet på ett sådant sätt att teckenproblemet är minimerad, " förklarar Dominik Hangleiter, första författare till studien som nu har publicerats i Vetenskapens framsteg .

Från enkla spinnsystem till mer komplexa

För enkla solid state-system med snurr, som bildar vad som kallas Heisenberg-stegar, detta tillvägagångssätt har gjort det möjligt för teamet att avsevärt minska beräkningstiden för teckenproblemet. Dock, det matematiska verktyget kan även appliceras på mer komplexa spinnsystem och lovar snabbare beräkning av deras egenskaper.

"Detta ger oss en ny metod för accelererad utveckling av material med speciella spinnegenskaper, ", säger Eisert. Dessa typer av material skulle kunna användas i framtida IT-tekniker för vilka data måste bearbetas och lagras med avsevärt mindre energiförbrukning.