高斯超级计算中心 原子模型显示了两个石墨烯片之间的多层锂原子
学分:博士
Mahdi Ghorbani-Asl，HZDR
见M
K & # 252hne等人
，自然564 (2018)
材料科学家研究和理解固体中相互作用的原子的物理，以找到改进我们在日常生活的各个方面使用的材料的方法
然而，这项研究的前沿不在于反复试验；为了更好地理解和改进当今的材料，研究人员必须能够在原子尺度和极端条件下研究材料特性
因此，研究人员越来越依赖模拟来补充或告知材料特性和行为的实验
由博士领导的一个研究小组
亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究所的物理学家阿尔卡季·克拉舍宁尼科夫(Arkady Krasheninnikov)与实验学家合作，回答了关于材料性质的基本问题，该团队最近报告了一项突破——实验学家能够实时观察锂原子在两个石墨烯片之间的行为
石墨烯片是一种二维材料，因为它只有一个原子厚，这使得在透射电子显微镜实验中观察锂原子的运动成为可能
通过访问高斯超级计算中心(GCS)的超级计算资源，克拉舍宁尼科夫的团队使用斯图加特(HLRS)高性能计算中心的黑兹尔·亨超级计算机来模拟、确认和扩展团队的实验发现
这项合作研究最近发表在《自然》杂志上
“二维材料显示出有用和令人兴奋的特性，可以用于许多应用，不仅仅是作为透射电子显微镜的支撑，”克拉舍宁尼科夫说
“本质上，二维材料处于材料研究的前沿
大概有几千种这样的材料，实际上已经制造了大约50种
" 接受严格检查 为了更好地从实验上理解二维材料，研究人员通常使用透射电子显微镜
这种方法允许他们悬浮小而薄的材料，并在其上运行高能电子束，最终创建研究人员可以研究的材料的放大图像，就像电影放映机从卷轴上获取图像并将其投影到更大的屏幕上一样
有了这种对材料的看法，实验学家可以更好地绘制和估计原子的位置和排列
然而，高能束不仅仅可以帮助研究人员观察材料——它还是研究二维材料电子特性的工具
此外，研究人员可以使用透射电镜的高能电子以高精度从材料中剔除单个原子，以观察材料的行为如何基于结构变化而变化
最近，来自斯图加特马克斯·普朗克固体研究所和乌尔姆大学的实验学家希望更好地理解锂粒子如何在两个原子薄的石墨烯片之间相互作用
更好地理解锂嵌入，或者将锂置于另一种材料层(在这种情况下，石墨烯)之间，有助于研究人员开发更好的电池技术
实验学家从瞬变电磁法中获得数据，并要求克拉舍宁尼科夫和他的合作者使用模拟使实验合理化
模拟使研究人员能够从各种不同的角度观察材料的原子结构，他们还可以通过实验加速设计新材料的试错法
“模拟不能完成全部工作，但它们可以真正限制可能的变体数量，并指明前进的方向，”克拉舍宁尼科夫说
“模拟为从事基础研究和工业的人省钱，因此，计算机建模越来越受欢迎
" 在这种情况下，Krasheninnikov和他的合作者发现实验者的原子坐标，或材料中粒子的位置，将是不稳定的，这意味着材料将违反量子力学定律
利用模拟数据，克拉舍宁尼科夫和他的合作者提出了一种不同的原子结构，当团队重新运行实验时，发现与模拟完全匹配
“有时候，你真的不需要很高的理论来理解基于实验结果的原子结构，但其他时候，如果没有与实验齐头并进的精确计算方法，就真的不可能理解原子结构，”克拉舍宁尼科夫说
实验人员第一次实时观察了锂原子被放置在两片石墨烯之间时的行为，并在模拟的帮助下，深入了解了原子是如何排列的
之前假设在这样的排列中，锂将被构造成单原子层，但模拟显示锂可以形成双层或三层，至少在双层石墨烯中，这导致研究人员寻找提高电池效率的新方法
该团队在一段时间内有效地运行了1000个原子系统的第一性原理模拟，以观察短期(纳秒时间尺度)的材料相互作用
下一代超级计算机上更大的核心数量将允许研究人员在他们的模拟中包括更多的原子，这意味着他们可以模拟更真实和有意义的有问题的材料切片
克拉舍宁尼科夫认为，更大的挑战在于研究人员能模拟物质相互作用多长时间
为了研究在更长时间内发生的现象，例如应力如何在金属中形成和传播裂纹，研究人员需要能够模拟几分钟甚至几小时来观察材料如何变化
也就是说，研究人员还需要在他们的模拟中采取非常小的时间步骤来精确地模拟超快原子相互作用
简单地使用更多的计算机内核可以让研究人员更快地为更大的系统进行计算，但是如果达到某个并行化阈值，就不能让每一步都更快
打破这一僵局将需要研究人员修改算法，以更有效地计算大量内核的每个时间步长
克拉舍宁尼科夫还指出，设计基于量子计算的代码可以使模拟能够观察更长时间内发生的物质现象——量子计算机可能是模拟量子现象的完美工具
不管研究人员采取什么方向，克拉舍宁尼科夫指出，通过全球通信系统和PRACE获得超级计算资源使他和他的团队能够不断进步
“没有好的计算资源，我们的团队就不能做好研究，”他说
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