超級計算有助于研究二維材料

高性能計算有助于研究人員了解用于觀察雙層石墨烯中鋰原子實時運動的實驗，為設計電池和其他電子設備的新材料鋪平了道路。無論是高溫超導體還是能夠完全吸收液體的可彎曲金屬和織物的能量存儲，材料科學家研究并了解固體中相互作用原子的物理特性，最終找到改善我們在日常生活各個方面使用的材料的方法。

然而，材料科學研究的前沿不在于煉金術的試驗和錯誤;為了更好地理解和改進材料，研究人員必須能夠在原子尺度和極端條件下研究材料特性。因此，研究人員越來越依賴模擬來補充或告知實驗材料的屬性和行為。

由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的物理學家Arkady Krasheninnikov博士領導的一個研究小組與實驗家合作，回答有關材料性質(zhì)的基本問題，該團隊最近取得了重大突破 - 實驗主義者能夠真實地觀察到時間鋰原子置于兩個石墨烯片之間時的行為。石墨烯片是研究人員認為的2D材料，因為它只有一個原子厚度，這使得在透射電子顯微鏡(TEM)實驗中觀察鋰原子運動成為可能。

通過高斯超級計算中心(GCS)訪問超級計算資源，Krasheninnikov的團隊能夠使用高性能計算中心斯圖加特(HLRS)的Hazel Hen超級計算機來模擬，確認和擴展團隊的實驗結果。協(xié)作工作最近發(fā)表在Nature上。

“2D材料具有有用和令人興奮的特性，可用于許多不同的應用，不僅可作為TEM的支持，”Krasheninnikov說。“從本質(zhì)上講，2D材料處于材料研究的最前沿?？赡苡写蠹s數(shù)千種材料，實際上大約有50種。”

為了更好地理解2D材料的實驗，研究人員現(xiàn)在經(jīng)常使用TEM。該方法允許研究人員懸浮小而薄的材料，然后在其上運行高能電子束，最終創(chuàng)建研究人員可以研究的材料的放大圖像，就像電影放映機從卷軸拍攝圖像和項目它們放在更大的屏幕上。通過對材料的這種觀點，實驗者可以更好地繪制和估計原子的位置和排列。

高能光束不僅可以幫助研究人員觀察材料，它還可以用來研究二維材料的電子特性。此外，研究人員可以使用來自TEM的高能電子以高精度從材料中剔除單個原子，以了解材料的行為如何根據(jù)結構變化而變化。

最近，馬克斯普朗克固態(tài)研究所，斯圖加特和烏爾姆大學的實驗主義者希望更好地了解鋰顆粒如何在兩個原子薄的石墨烯片之間相互作用。更好地了解鋰嵌入，或在另一種材料(在這種情況下，石墨烯)的層之間放置鋰，有助于研究人員開發(fā)設計更好的電池技術的新方法。實驗者從TEM獲得數(shù)據(jù)，并要求Krasheninnikov及其合作者使用模擬合理化實驗。

模擬使研究人員能夠從各種不同角度觀察材料的原子結構，并且它們還可以幫助加速試錯法，純粹通過實驗來設計新材料。Krasheninnikov說：“模擬不能完全發(fā)揮作用，但它們確實可以限制可能變種的數(shù)量，并顯示出去的方向。”“模擬為基礎研究和工業(yè)領域的人們節(jié)省了資金，因此，計算機建模越來越受歡迎。”

在這種情況下，Krasheninnikov和他的合作者發(fā)現(xiàn)實驗者的原子坐標或材料中粒子的位置不穩(wěn)定，這意味著材料會違反量子力學的定律。使用模擬數(shù)據(jù)，Krasheninnikov和他的合作者提出了不同的原子結構，當團隊重新進行實驗時，它發(fā)現(xiàn)了與模擬的完美匹配。

“有時你并不需要高理論來理解基于實驗結果的原子結構，但有時候如果沒有與實驗相輔相成的精確計算方法，就不可能理解結構，”Krasheninnikov說。

實驗主義者第一次能夠?qū)崟r觀察鋰原子放置在兩個石墨烯片之間時的表現(xiàn)，并借助模擬，深入了解原子的排列方式。先前假設在這樣的布置中，鋰將被構造為單個原子層，但是模擬顯示鋰可以形成雙層或三層，至少在雙層石墨烯中，導致研究人員尋找新的方法提高電池效率。

Krasheninnikov指出，盡管模擬在過去十年取得了重大進展，但仍有改進的空間。該團隊可以在一段時間內(nèi)有效地運行1,000原子系統(tǒng)的第一原理模擬，以觀察短期(納秒時間尺度)材料相互作用。下一代超級計算機的核心數(shù)量越來越多，研究人員可以在模擬中包含更多原子，這意味著他們可以對所討論材料的更真實和有意義的切片進行建模。

根據(jù)Krasheninnikov的說法，更大的挑戰(zhàn)涉及研究人員能夠模擬物質(zhì)相互作用的時間。例如，為了研究在較長時間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，例如應力如何形成并在金屬中傳播裂縫，研究人員需要能夠模擬幾分鐘甚至幾小時才能看到材料如何變化。也就是說，研究人員還需要在他們的模擬中采取極小的時間步驟來準確地模擬超快原子相互作用。只需使用更多的計算核心，研究人員就可以更快地對更大的系統(tǒng)進行計算，但如果達到某個“并行化”閾值，則無法使每個時間步長更快。

打破這種僵局需要研究人員重新編寫算法，以便更有效地計算大量核心的每個時間步長。Krasheninnikov還指出，基于量子計算設計代碼可以實現(xiàn)能夠觀察在較長時間內(nèi)發(fā)生的物質(zhì)現(xiàn)象的模擬 - 量子計算機“可能非常適合模擬量子現(xiàn)象。無論研究人員走向何方，Krasheninnikov都指出可以獲得超級計算通過GCS和PRACE的資源使他和他的團隊能夠不斷取得進步。“如果沒有良好的計算資源，我們的團隊就無法進行良好的研究，”他說。