L'obiettivo e l'obiettivo finale della ricerca computazionale nella scienza dei materiali e nella fisica della materia condensata è risolvere esattamente l'equazione di Schrödinger, l'equazione fondamentale che descrive come si comportano gli elettroni all'interno della materia (senza ricorrere ad approssimazioni semplificatrici). Mentre gli esperimenti possono certamente fornire spunti interessanti sulle proprietà di un materiale, spesso sono i calcoli che rivelano il meccanismo fisico sottostante. Però, i calcoli non devono fare affidamento su dati sperimentali e possono, infatti, essere svolto in autonomia, un approccio noto come "calcoli ab initio". La teoria del funzionale della densità (DFT) è un esempio popolare di tale approccio.

Per la maggior parte degli scienziati dei materiali e dei fisici della materia condensata, I calcoli DFT sono il pane quotidiano della loro professione. Però, pur essendo una tecnica potente, DFT ha avuto un successo limitato con "materiali fortemente correlati", materiali con proprietà elettroniche e magnetiche insolite. Questi materiali, mentre interessanti di per sé, possiedono anche proprietà tecnologiche utili, un fatto che motiva fortemente un quadro ab initio adatto a descriverli.

A quello scopo, un framework noto come "ab initio quantum Monte Carlo" (QMC) ha mostrato notevoli promesse e dovrebbe essere la prossima generazione di calcoli di strutture elettroniche a causa della sua superiorità rispetto a DFT. Però, anche QMC è in gran parte limitato ai calcoli di energia e forze atomiche, limitando la sua utilità nel calcolo delle proprietà utili dei materiali.

Ora, in uno studio rivoluzionario pubblicato su Revisione fisica B (Suggerimento della redazione), gli scienziati hanno portato le cose al livello successivo sulla base di un approccio che consente loro di ridurre l'errore statistico nella valutazione della forza atomica di due ordini di grandezza e successivamente di accelerare il calcolo di un fattore 10 ⁴ ! "La drastica riduzione del tempo di calcolo amplierà notevolmente la gamma di calcoli QMC e consentirà una previsione altamente accurata delle proprietà atomiche dei materiali che sono stati difficili da gestire, " osserva l'assistente professore Kousuke Nakano del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), chi, insieme ai suoi colleghi Prof. Ryo Maezono di JAIST, Prof. Sandro Sorella della International School for advanced Studies (SISSA), Italia, e il Dott. Tommaso Morresi e il Prof. Michele Casula della Sorbonne Université, Francia, ha portato a questo risultato pionieristico.

Il team ha applicato il metodo sviluppato per calcolare le vibrazioni atomiche del diamante, un tipico materiale di riferimento, come prova di concetto e ha mostrato che i risultati erano coerenti con i valori sperimentali. Per eseguire questi calcoli, usavano un grande computer, Cray-XC40, situato presso il Centro di ricerca per l'infrastruttura informatica avanzata presso il Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Giappone, insieme ad un altro situato a RIKEN, Giappone. Il team ha utilizzato un pacchetto software QMC chiamato "TurboRVB, " lanciato inizialmente dal Prof. Sorella e dal Prof. Casula e sviluppato successivamente dal Prof. Nakano insieme ad altri, eseguire calcoli di dispersione fononica per diamanti che prima erano inaccessibili, ampliando notevolmente il suo raggio d'azione.

Il Prof. Nakano attende con impazienza le applicazioni di QMC nell'informatica dei materiali (MI), un campo dedicato alla progettazione e alla ricerca di nuovi materiali utilizzando tecniche di scienza dell'informazione e fisica computazionale. "Mentre MI è attualmente governato da DFT, i rapidi sviluppi nelle prestazioni del computer, come il supercomputer exascale, aiuterà QMC a guadagnare popolarità. A tal proposito, il nostro metodo sviluppato sarà molto utile per progettare nuovi materiali con applicazioni reali, " conclude un ottimista Dr. Nakano.