El enfoque y el objetivo final de la investigación computacional en la ciencia de los materiales y la física de la materia condensada es resolver la ecuación de Schrödinger, la ecuación fundamental que describe cómo se comportan los electrones dentro de la materia, exactamente (sin recurrir a aproximaciones simplificadoras). Si bien los experimentos ciertamente pueden proporcionar información interesante sobre las propiedades de un material, a menudo son los cálculos los que revelan el mecanismo físico subyacente. Sin embargo, Los cálculos no necesitan depender de datos experimentales y pueden, De hecho, realizarse de forma independiente, un enfoque conocido como "cálculos ab initio". La teoría funcional de la densidad (DFT) es un ejemplo popular de tal enfoque.

Para la mayoría de científicos de materiales y físicos de materia condensada, Los cálculos de DFT son el pan y la mantequilla de su profesión. Sin embargo, a pesar de ser una técnica poderosa, DFT ha tenido un éxito limitado con "materiales fuertemente correlacionados", materiales con propiedades magnéticas y electrónicas inusuales. Estos materiales, si bien son interesantes por sí mismos, también poseen propiedades tecnológicas útiles, un hecho que motiva fuertemente un marco ab initio adecuado para describirlos.

Con ese fin, un marco conocido como "ab initio quantum Monte Carlo" (QMC) ha mostrado una promesa considerable y se espera que sea la próxima generación de cálculos de estructuras electrónicas debido a su superioridad sobre DFT. Sin embargo, incluso QMC se restringe en gran medida a cálculos de energía y fuerzas atómicas, limitando su utilidad en el cálculo de propiedades de materiales útiles.

Ahora, en un estudio revolucionario publicado en Revisión física B (Sugerencia de los editores), Los científicos han llevado las cosas al siguiente nivel basándose en un enfoque que les permite reducir el error estadístico en la evaluación de la fuerza atómica en dos órdenes de magnitud y, posteriormente, acelerar el cálculo en un factor de 10. ⁴ ! "La drástica reducción en el tiempo computacional ampliará en gran medida el rango de cálculos de QMC y permitirá una predicción altamente precisa de las propiedades atómicas de materiales que han sido difíciles de manejar, "observa el profesor asistente Kousuke Nakano del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), OMS, junto con sus colegas el Prof. Ryo Maezono de JAIST, Prof.Sandro Sorella de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA), Italia, y el Dr. Tommaso Morresi y el Prof. Michele Casula de la Sorbonne Université, Francia, lideró este logro revolucionario.

El equipo aplicó su método desarrollado para calcular las vibraciones atómicas del diamante, un material de referencia típico, como prueba de concepto y mostró que los resultados eran consistentes con los valores experimentales. Para realizar estos cálculos, usaron una computadora grande, Cray-XC40, ubicado en el Centro de Investigación para Infraestructura de Computación Avanzada en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), Japón, junto con otro ubicado en RIKEN, Japón. El equipo utilizó un paquete de software QMC llamado "TurboRVB, "Inicialmente lanzado por el Prof. Sorella y el Prof. Casula y desarrollado más tarde por el Prof. Nakano junto con otros, para realizar cálculos de dispersión de fonones para diamantes que antes eran inaccesibles, ampliando enormemente su alcance.

El profesor Nakano espera con interés las aplicaciones de QMC en la informática de materiales (MI), campo dedicado al diseño y búsqueda de materiales novedosos utilizando técnicas de ciencia de la información y física computacional. "Si bien MI se rige actualmente por DFT, los rápidos desarrollos en el rendimiento de la computadora, como el superordenador de exaescala, ayudará a QMC a ganar popularidad. En ese sentido, nuestro método desarrollado será muy útil para diseñar materiales novedosos con aplicaciones de la vida real, "concluye un optimista Dr. Nakano.