Densità di spin Monte Carlo di diffusione per ferromagnetico Ti4O7 a bassa temperatura (sinistra), antiferromagnetico 3 (centro), e antiferromagnetico 1 fasi. Il giallo rappresenta una densità di spin positiva (o spin up) e il blu rappresenta una densità di spin negativa (o spin down). Credito:Anouar Benali e Olle Heinonen, Laboratorio Nazionale Argonne
Eseguendo simulazioni Monte Carlo quantistiche computazionalmente intensive presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori hanno dimostrato la capacità di calcolare con precisione le proprietà magnetiche di un materiale in ossido di titanio che presenta proprietà utili per le energie rinnovabili e le tecnologie informatiche.
La tua casa è probabilmente disseminata di biossido di titanio (TiO2), dalla pittura sulle tue pareti, alla crema solare e al dentifricio nel tuo bagno, ai fogli sulla tua scrivania. Una polvere bianca brillante, il biossido di titanio è un ossido di metallo di transizione che ha molte proprietà favorevoli comprese quelle ottiche e catalitiche.
"Gli ossidi di titanio sono composti di metalli di transizione versatili che possono essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni, compresi dispositivi elettronici e fotocatalisi, " ha detto Olle Heinonen, scienziato dei materiali all'Argonne National Laboratory.
Mentre il biossido di titanio può essere il materiale di ossido di titanio più noto, uno dei suoi derivati, Ti 4 oh 7 , è un altro materiale di interesse per le sue potenziali applicazioni nelle memorie resistive e negli elettrodi delle celle a combustibile a base di ossido. Per esplorare tali applicazioni, gli scienziati devono comprendere meglio le sue proprietà elettroniche e magnetiche.
Con la potenza di calcolo di Mira, il supercomputer IBM Blue Gene/Q da 10 petaflop dell'ALCF, i ricercatori hanno, per la prima volta, calcolato accuratamente le proprietà magnetiche di Ti 4 oh 7 con simulazioni quantistiche Monte Carlo (QMC).
I risultati della squadra, pubblicato in Chimica Fisica Fisica Chimica , rivelare il Ti 4 oh 7 stato fondamentale:le proprietà del materiale allo stato energetico più basso possibile. Calcolando accuratamente lo stato fondamentale, i ricercatori sono in grado di determinare o dedurre molte importanti proprietà dei materiali, come la struttura cristallina, conducibilità, e magnetismo.
"Il calcolo dello stato fondamentale è cruciale per le previsioni computazionali del comportamento di un materiale in condizioni realistiche in cui la temperatura, pressione, e il tempo può cambiare la sua struttura, " ha detto Anouar Benali, Scienziato computazionale ALCF e autore principale dello studio.
perché ti 4 oh 7 ha diversi stati magnetici vicini in energia, gli scienziati in precedenza non erano in grado di determinare in modo definitivo lo stato fondamentale attraverso esperimenti o altri metodi computazionali, come la teoria del funzionale della densità (DFT). Però, con accesso a Mira, il team di ricerca è stato in grado di eseguire calcoli QMC che hanno contribuito a risolvere l'incertezza di lunga data con Ti 4 oh 7 individuando le tre fasi magnetiche che compromettono lo stato fondamentale del materiale.
Sebbene QMC richieda fino a 1, 000 volte la potenza di calcolo di un tipico calcolo DFT, il metodo è in grado di calcolare con precisione le complesse interazioni tra molti elettroni. A causa della sua spesa computazionale, Le simulazioni QMC una volta erano limitate alla modellazione di sistemi di piccoli atomi o molecole, ma l'emergere di supercomputer come Mira ha ora reso possibile l'uso di QMC per calcoli rigorosi su materiali più complicati.
Per il Ti 4 oh 7 studio, ricercatori hanno utilizzato l'applicazione QMCPACK sviluppata da Argonne, Cresta della quercia, Sandia, e laboratori nazionali Lawrence Livermore. Riscrivendo le parti più complesse dal punto di vista computazionale di QMCPACK utilizzando estensioni specifiche del compilatore (chiamate intrinseche vettoriali) per utilizzare meglio il processore IBM Blue Gene/Q, scienziati computazionali ALCF, compreso Benali, Sì Luo, e Vitali Morozov, sono stati in grado di migliorare le prestazioni di QMCPACK su Mira del 30 percento. Inoltre, riscrivendo il codice per utilizzare la precisione singola anziché la doppia precisione nelle strutture dati chiave, hanno ridotto del 45% la quantità di dati che dovevano essere archiviati in memoria.
"Questi miglioramenti del codice ci hanno permesso di studiare sistemi elettronici più grandi in un lasso di tempo più breve, " ha detto Benalì.
