Difusión de densidades de espín de Monte Carlo para ferromagnéticos de Ti4O7 de baja temperatura (izquierda), antiferromagnético 3 (centro), y antiferromagnético 1 fases. El amarillo representa una densidad de giro positiva (o giro hacia arriba) y el azul representa una densidad de giro negativa (o giro hacia abajo). Crédito:Anouar Benali y Olle Heinonen, Laboratorio Nacional Argonne
Mediante la ejecución de simulaciones de Monte Carlo cuánticas intensivas en computación en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Los investigadores han demostrado la capacidad de calcular con precisión las propiedades magnéticas de un material de óxido de titanio que presenta propiedades útiles para las energías renovables y las tecnologías informáticas.
Es probable que su casa esté llena de dióxido de titanio (TiO2), de la pintura en tus paredes, al protector solar y pasta de dientes en tu baño, a los papeles de tu escritorio. Un polvo blanco brillante, El dióxido de titanio es un óxido de metal de transición que tiene muchas propiedades favorables, incluidas las ópticas y catalíticas.
"Los óxidos de titanio son compuestos de metales de transición versátiles que pueden usarse para una variedad de aplicaciones, incluidos los dispositivos electrónicos y la fotocatálisis, "dijo Olle Heinonen, científico de materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Si bien el dióxido de titanio puede ser el material de óxido de titanio más conocido, uno de sus derivados, Ti 4 O 7 , es otro material de interés por sus posibles aplicaciones en memorias resistivas y electrodos de pilas de combustible a base de óxido. Para explorar tales aplicaciones, los científicos deben comprender mejor sus propiedades electrónicas y magnéticas.
Con el poder computacional de Mira, la supercomputadora IBM Blue Gene / Q de 10 petaflops de la ALCF, los investigadores tienen, por primera vez, calculó con precisión las propiedades magnéticas de Ti 4 O 7 con simulaciones cuánticas de Monte Carlo (QMC).
Los resultados del equipo, publicado en Física Química Física Química , revelar el Ti 4 O 7 Estado fundamental:las propiedades del material en el estado energético más bajo posible. Al calcular con precisión el estado fundamental, los investigadores pueden determinar o inferir muchas propiedades importantes de los materiales, como la estructura cristalina, conductividad, y magnetismo.
"El cálculo del estado fundamental es crucial para las predicciones computacionales del comportamiento de un material en condiciones realistas en las que la temperatura, presión, y el tiempo puede cambiar su estructura, "dijo Anouar Benali, Científico computacional de ALCF y autor principal del estudio.
Porque Ti 4 O 7 tiene varios estados magnéticos cercanos en energía, Los científicos anteriormente no podían determinar de manera concluyente el estado fundamental a través de experimentos u otros métodos computacionales, como la teoría funcional de la densidad (DFT). Sin embargo, con acceso a Mira, el equipo de investigación pudo realizar cálculos de QMC que ayudaron a resolver la incertidumbre de larga data con Ti 4 O 7 identificando las tres fases magnéticas que comprometen el estado fundamental del material.
Aunque QMC requiere hasta 1, 000 veces la potencia de cálculo de un cálculo DFT típico, el método puede calcular con precisión las complejas interacciones entre muchos electrones. Debido a su gasto computacional, Las simulaciones de QMC alguna vez se limitaron a modelar sistemas de pequeños átomos o moléculas, pero la aparición de supercomputadoras como Mira ahora ha hecho posible el uso de QMC para cálculos rigurosos en materiales más complicados.
Para el Ti 4 O 7 estudio, los investigadores utilizaron la aplicación QMCPACK desarrollada por Argonne, Cresta de roble, Sandia, y los laboratorios nacionales Lawrence Livermore. Al reescribir las partes más intensivas en computación de QMCPACK utilizando extensiones específicas del compilador (llamadas intrínsecas vectoriales) para utilizar mejor el procesador IBM Blue Gene / Q, Científicos computacionales de ALCF, incluido Benali, Ye Luo, y Vitali Morozov, pudieron mejorar el rendimiento de QMCPACK en Mira en un 30 por ciento. Adicionalmente, reescribiendo el código para usar precisión simple en lugar de precisión doble en estructuras de datos clave, redujeron la cantidad de datos que debían almacenarse en la memoria en un 45 por ciento.
"Estas mejoras en el código nos permitieron estudiar sistemas electrónicos más grandes en menos tiempo, "Dijo Benali.
