超級(jí)計(jì)算有助于研究二維材料

高性能計(jì)算有助于研究人員了解用于觀察雙層石墨烯中鋰原子實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)電池和其他電子設(shè)備的新材料鋪平了道路。無(wú)論是高溫超導(dǎo)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(chǔ)，材料科學(xué)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?cè)谌粘Ｉ罡鱾€(gè)方面使用的材料的方法。

然而，材料科學(xué)研究的前沿不在于煉金術(shù)的試驗(yàn)和錯(cuò)誤;為了更好地理解和改進(jìn)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(lái)越依賴(lài)模擬來(lái)補(bǔ)充或告知實(shí)驗(yàn)材料的屬性和行為。

由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的物理學(xué)家Arkady Krasheninnikov博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組與實(shí)驗(yàn)家合作，回答有關(guān)材料性質(zhì)的基本問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)最近取得了重大突破 - 實(shí)驗(yàn)主義者能夠真實(shí)地觀察到時(shí)間鋰原子置于兩個(gè)石墨烯片之間時(shí)的行為。石墨烯片是研究人員認(rèn)為的2D材料，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)原子厚度，這使得在透射電子顯微鏡(TEM)實(shí)驗(yàn)中觀察鋰原子運(yùn)動(dòng)成為可能。

通過(guò)高斯超級(jí)計(jì)算中心(GCS)訪問(wèn)超級(jí)計(jì)算資源，Krasheninnikov的團(tuán)隊(duì)能夠使用高性能計(jì)算中心斯圖加特(HLRS)的Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，確認(rèn)和擴(kuò)展團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)用，不僅可作為T(mén)EM的支持，”Krasheninnikov說(shuō)。“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(shí)際上大約有50種。”

為了更好地理解2D材料的實(shí)驗(yàn)，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(yùn)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(jī)從卷軸拍攝圖像和項(xiàng)目它們放在更大的屏幕上。通過(guò)對(duì)材料的這種觀點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)者可以更好地繪制和估計(jì)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(lái)研究二維材料的電子特性。此外，研究人員可以使用來(lái)自TEM的高能電子以高精度從材料中剔除單個(gè)原子，以了解材料的行為如何根據(jù)結(jié)構(gòu)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(xué)的實(shí)驗(yàn)主義者希望更好地了解鋰顆粒如何在兩個(gè)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)更好的電池技術(shù)的新方法。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。

模擬使研究人員能夠從各種不同角度觀察材料的原子結(jié)構(gòu)，并且它們還可以幫助加速試錯(cuò)法，純粹通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)新材料。Krasheninnikov說(shuō)：“模擬不能完全發(fā)揮作用，但它們確實(shí)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(chǔ)研究和工業(yè)領(lǐng)域的人們節(jié)省了資金，因此，計(jì)算機(jī)建模越來(lái)越受歡迎。”

在這種情況下，Krasheninnikov和他的合作者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的原子坐標(biāo)或材料中粒子的位置不穩(wěn)定，這意味著材料會(huì)違反量子力學(xué)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(jié)構(gòu)，當(dāng)團(tuán)隊(duì)重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，它發(fā)現(xiàn)了與模擬的完美匹配。

“有時(shí)你并不需要高理論來(lái)理解基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原子結(jié)構(gòu)，但有時(shí)候如果沒(méi)有與實(shí)驗(yàn)相輔相成的精確計(jì)算方法，就不可能理解結(jié)構(gòu)，”Krasheninnikov說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)主義者第一次能夠?qū)崟r(shí)觀察鋰原子放置在兩個(gè)石墨烯片之間時(shí)的表現(xiàn)，并借助模擬，深入了解原子的排列方式。先前假設(shè)在這樣的布置中，鋰將被構(gòu)造為單個(gè)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(dǎo)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(guò)去十年取得了重大進(jìn)展，但仍有改進(jìn)的空間。該團(tuán)隊(duì)可以在一段時(shí)間內(nèi)有效地運(yùn)行1,000原子系統(tǒng)的第一原理模擬，以觀察短期(納秒時(shí)間尺度)材料相互作用。下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)的核心數(shù)量越來(lái)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(duì)所討論材料的更真實(shí)和有意義的切片進(jìn)行建模。

根據(jù)Krasheninnikov的說(shuō)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(shí)間。例如，為了研究在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，例如應(yīng)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(shí)才能看到材料如何變化。也就是說(shuō)，研究人員還需要在他們的模擬中采取極小的時(shí)間步驟來(lái)準(zhǔn)確地模擬超快原子相互作用。只需使用更多的計(jì)算核心，研究人員就可以更快地對(duì)更大的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，但如果達(dá)到某個(gè)“并行化”閾值，則無(wú)法使每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)更快。

打破這種僵局需要研究人員重新編寫(xiě)算法，以便更有效地計(jì)算大量核心的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。Krasheninnikov還指出，基于量子計(jì)算設(shè)計(jì)代碼可以實(shí)現(xiàn)能夠觀察在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的物質(zhì)現(xiàn)象的模擬 - 量子計(jì)算機(jī)“可能非常適合模擬量子現(xiàn)象。無(wú)論研究人員走向何方，Krasheninnikov都指出可以獲得超級(jí)計(jì)算通過(guò)GCS和PRACE的資源使他和他的團(tuán)隊(duì)能夠不斷取得進(jìn)步。“如果沒(méi)有良好的計(jì)算資源，我們的團(tuán)隊(duì)就無(wú)法進(jìn)行良好的研究，”他說(shuō)。