Новое программное обеспечение, разработанное в Калифорнийском технологическом институте, упрощает изучение поведения электронов в материалах — даже в материалах, которые были предсказаны, но еще не существуют. Программное обеспечение под названием Perturbo набирает популярность среди исследователей.
Perturbo вычисляет на квантовом уровне, как электроны взаимодействуют и движутся внутри материала, предоставляя полезные микроскопические детали о так называемой электронной динамике. Такое моделирование позволяет исследователям предсказать, насколько хорошо что-то вроде металла или полупроводника будет проводить электричество при заданной температуре или, например, как электроны в материале будут реагировать на свет. По словам Марко Бернарди , доцента прикладной физики и материаловедения, у программного обеспечения сейчас около 250 активных пользователей . Perturbo был разработан лабораторией Бернарди совместными усилиями под руководством Бернарди и Цзинь-Цзянь Чжоу, бывшего постдокторанта, который сейчас является доцентом Пекинского технологического института.
Perturbo может моделировать, как электроны, движущиеся через материал, взаимодействуют с атомами, составляющими материал. По мере прохождения электронов они сталкиваются с этими атомами, которые постоянно колеблются. То, как происходят эти столкновения и как часто они происходят, определяет электрические свойства материала. Те же взаимодействия также определяют поведение материалов, возбуждаемых светом, например, в солнечном элементе или в экспериментах по сверхбыстрой спектроскопии. Последние исследуют движение электронов и атомов в очень короткие промежутки времени (вплоть до миллионной миллиардной секунды, фемтосекунды), а Пертурбо предоставляет новые вычислительные инструменты для интерпретации этих передовых экспериментов.
Первая версия Perturbo была выпущена чуть больше года назад, и с тех пор она неуклонно набирала обороты. По словам Бернарди, на двух виртуальных семинарах, проведенных группой Бернарди прошлой осенью, были обучены сотни новых пользователей Perturbo, в том числе некоторые из исследовательских групп Калифорнийского технологического института.
По словам Бернарди, Perturbo был разработан для работы на современных суперкомпьютерах, и в статье, опубликованной в этом месяце в журнале Computer Physics Communications, исследовательская группа Perturbo демонстрирует, что он может эффективно работать на компьютере с тысячами процессорных ядер. Он также был разработан, чтобы в полной мере использовать преимущества больших компьютеров следующего поколения, так называемых суперкомпьютеров exascale.