Un nuovo software sviluppato al Caltech semplifica lo studio del comportamento degli elettroni nei materiali, anche materiali che sono stati previsti ma non esistono ancora. Il software, chiamato Perturbo, sta guadagnando terreno tra i ricercatori.

Perturbo calcola a livello quantistico come interagiscono e si muovono gli elettroni all'interno di un materiale, fornendo utili dettagli microscopici sulla cosiddetta dinamica elettronica. Questo tipo di simulazione consente ai ricercatori di prevedere quanto bene un metallo o un semiconduttore condurrà l'elettricità a una data temperatura, o come gli elettroni in un materiale risponderanno alla luce, Per esempio. Il software ha ora circa 250 utenti attivi, dice Marco Bernardi, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali. Perturbo è stato sviluppato dal laboratorio di Bernardi, in un lavoro di squadra guidato da Bernardi e Jin-Jian Zhou, un ex borsista postdottorato che ora è assistente professore presso l'Istituto di tecnologia di Pechino.

Perturbo può modellare come gli elettroni che si muovono attraverso un materiale interagiscono con gli atomi che compongono il materiale. Mentre gli elettroni fluiscono attraverso, si scontrano con questi atomi, che vibrano sempre. Il modo in cui si verificano tali collisioni e la frequenza con cui si verificano determinano le proprietà elettriche di un materiale. Le stesse interazioni governano anche il comportamento dei materiali eccitati dalla luce, per esempio in una cella solare o in esperimenti di spettroscopia ultraveloce. Questi ultimi studiano il movimento di elettroni e atomi su scale temporali molto brevi (fino a un milionesimo miliardesimo di secondo, un femtosecondo), e Perturbo fornisce nuovi strumenti computazionali per interpretare questi esperimenti avanzati.

"Tipicamente, il principale meccanismo che limita il trasporto degli elettroni è il movimento atomico, o cosiddetti fononi, " Dice Bernardi. "Essere in grado di calcolare queste interazioni elettrone-fonone rende possibili questi studi sul trasporto e sulla dinamica ultraveloce, accurato, ed efficiente. Si potrebbe studiare la fisica microscopica di un gran numero di composti con questo metodo e utilizzare tali informazioni per progettare materiali migliori".

Bernardi dice che Perturbo rappresenta un grande passo avanti nel campo, che in passato si è basata principalmente su modelli semplici basati su esperimenti del mondo reale.

"Negli anni Ottanta, i documenti che studiano il trasporto elettrico in semiconduttori anche semplici contenevano tabelle con decine di parametri per descrivere le interazioni degli elettroni. Il campo da allora non si è davvero evoluto così tanto, " lui dice.

La prima versione di Perturbo è stata rilasciata poco più di un anno fa, e da allora ha costantemente guadagnato utenti. Due workshop virtuali tenuti dal gruppo di Bernardi lo scorso autunno hanno formato centinaia di nuovi utenti di Perturbo, compresi alcuni dei gruppi di ricerca del Caltech, dice Bernardi.

Perturbo è stato progettato per funzionare su moderni supercomputer, Bernardi dice, e in un articolo pubblicato questo mese sulla rivista Computer Physics Communications, il team di ricerca Perturbo dimostra che è in grado di funzionare in modo efficiente su un computer con migliaia di core di elaborazione. È stato inoltre progettato per sfruttare appieno la prossima generazione di computer di grandi dimensioni, i cosiddetti supercomputer a esascala.

"Nel prossimo decennio, continueremo ad espandere le capacità del nostro codice, e renderlo il punto di riferimento per i calcoli dei primi principi della dinamica degli elettroni, "Dice Bernardi. "Siamo estremamente ambiziosi per quello che abbiamo in mente per questo codice. Attualmente può indagare sia i processi di trasporto che le dinamiche ultraveloci, ma in futuro le capacità del codice e il tipo di problemi che possiamo affrontare continueranno a crescere."

Il documento che descrive Perturbo, intitolato, "Perturbo:un pacchetto software per interazioni ab initio elettrone-fonone, trasporto di carica e dinamica ultraveloce, " appare in Computer Physics Communications.