En ny mjukvara som utvecklats på Caltech gör det lättare att studera beteendet hos elektroner i material - även material som har förutsagts men ännu inte finns. Mjukvaran, kallad Perturbo, vinner grepp bland forskare.

Perturbo beräknar på kvantnivå hur elektroner interagerar och rör sig inom ett material, tillhandahålla användbara mikroskopiska detaljer om så kallad elektrondynamik. Denna typ av simulering gör det möjligt för forskare att förutsäga hur bra något som en metall eller halvledare kommer att leda elektricitet vid en given temperatur, eller hur elektronerna i ett material kommer att reagera på ljus, till exempel. Programvaran har nu ungefär 250 aktiva användare, säger Marco Bernardi, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap. Perturbo utvecklades av Bernardis laboratorium, i en laginsats som leds av Bernardi och Jin-Jian Zhou, en tidigare postdoktor som nu är adjunkt vid Beijing Institute of Technology.

Perturbo kan modellera hur elektroner som rör sig genom ett material interagerar med atomerna som utgör materialet. När elektronerna flyter igenom, de kolliderar med dessa atomer, som alltid vibrerar. Hur dessa kollisioner inträffar och hur ofta de inträffar bestämmer de elektriska egenskaperna hos ett material. Samma interaktioner styr också beteendet hos material som exciteras med ljus, till exempel i en solcell eller i ultrasnabba spektroskopiförsök. Den senare undersöker rörelsen av elektroner och atomer på mycket korta tidsskalor (ner till en miljontionde av en sekund, en femtosekund), och Perturbo tillhandahåller nya beräkningsverktyg för att tolka dessa avancerade experiment.

"Vanligtvis, huvudmekanismen som begränsar transporten av elektroner är atomrörelse, eller så kallade fononer, "Säger Bernardi." Att kunna beräkna dessa elektron -fonon -interaktioner gör dessa studier av transport och ultrasnabb dynamik möjliga, exakt, och effektiv. Man kan undersöka den mikroskopiska fysiken för ett stort antal föreningar med denna metod och använda den informationen för att konstruera bättre material. "

Bernardi säger att Perturbo representerar ett stort framsteg inom området, som tidigare mest förlitat sig på enkla modeller baserade på verkliga experiment.

"På 1980 -talet, papper som studerar elektriska transporter i även enkla halvledare innehöll tabeller med tiotals parametrar för att beskriva elektroninteraktioner. Fältet har sedan dess inte utvecklats så mycket, " han säger.

Den första versionen av Perturbo släpptes för ett drygt år sedan, och det har stadigt fått användare sedan dess. Två virtuella workshops som hölls av Bernardis grupp i höstas har utbildat hundratals nya användare av Perturbo, inklusive några från forskargrupper på Caltech, Säger Bernardi.

Perturbo har utformats för att köras på moderna superdatorer, Bernardi säger, och i ett papper publicerat denna månad i tidskriften Computer Physics Communications, Perturbo -forskargruppen visar att den kan köra effektivt på en dator med tusentals processorkärnor. Det har också utformats för att fullt ut dra nytta av nästa generations stora datorer, de så kallade exascale superdatorerna.

"Under det kommande decenniet, vi kommer att fortsätta att utöka möjligheterna i vår kod, och gör det till en första principberäkning av elektrondynamik, "Säger Bernardi." Vi är extremt ambitiösa för vad vi har i åtanke för denna kod. Den kan för närvarande undersöka både transportprocesser och ultrasnabb dynamik, men i framtiden kommer kodfunktionerna och typen av problem som vi kan ta itu med att växa. "

Papperet som beskriver Perturbo, betitlad, "Perturbo:Ett mjukvarupaket för ab initio elektron -fonon -interaktioner, laddtransport och supersnabb dynamik, "visas i Computer Physics Communications.