Una nueva pieza de software desarrollada en Caltech facilita el estudio del comportamiento de los electrones en los materiales, incluso en materiales que se han predicho pero que aún no existen. El software, llamado Perturbo, está ganando terreno entre los investigadores.

Perturbo calcula a nivel cuántico cómo interactúan y se mueven los electrones dentro de un material, proporcionando detalles microscópicos útiles sobre la llamada dinámica electrónica. Este tipo de simulación permite a los investigadores predecir qué tan bien algo como un metal o un semiconductor conducirá la electricidad a una temperatura determinada. o cómo responderán los electrones de un material a la luz, por ejemplo. El software ahora tiene aproximadamente 250 usuarios activos, dice Marco Bernardi, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales. Perturbo fue desarrollado por el laboratorio de Bernardi, en un esfuerzo de equipo dirigido por Bernardi y Jin-Jian Zhou, un ex becario postdoctoral que ahora es profesor asistente en el Instituto de Tecnología de Beijing.

Perturbo puede modelar cómo los electrones que se mueven a través de un material interactúan con los átomos que componen el material. A medida que fluyen los electrones, chocan con estos átomos, que siempre están vibrando. La forma en que ocurren esas colisiones y la frecuencia con que ocurren determina las propiedades eléctricas de un material. Las mismas interacciones también gobiernan el comportamiento de los materiales excitados con la luz, por ejemplo, en una célula solar o en experimentos de espectroscopia ultrarrápida. Estos últimos investigan el movimiento de electrones y átomos en escalas de tiempo muy cortas (hasta una millonésima mil millonésima de segundo, un femtosegundo), y Perturbo proporciona nuevas herramientas computacionales para interpretar estos experimentos avanzados.

"Típicamente, el principal mecanismo que limita el transporte de electrones es el movimiento atómico, o los llamados fonones, "Dice Bernardi." Ser capaz de calcular estas interacciones electrón-fonón hace posible estos estudios de transporte y dinámica ultrarrápida, preciso, y eficiente. Se podría investigar la física microscópica de una gran cantidad de compuestos con este método y usar esa información para diseñar mejores materiales ".

Bernardi dice que Perturbo representa un gran avance en el campo, que en el pasado se ha basado principalmente en modelos simples basados ​​en experimentos del mundo real.

"En la década de 1980, los artículos que estudiaban el transporte eléctrico incluso en semiconductores simples contenían tablas con decenas de parámetros para describir las interacciones de los electrones. Desde entonces, el campo no ha evolucionado mucho, " él dice.

La primera versión de Perturbo se lanzó hace poco más de un año, y ha ido ganando usuarios desde entonces. Dos talleres virtuales realizados por el grupo de Bernardi el pasado otoño han formado a cientos de nuevos usuarios de Perturbo, incluidos algunos de los grupos de investigación de Caltech, Dice Bernardi.

Perturbo fue diseñado para funcionar en supercomputadoras modernas, Bernardi dice:y en un artículo publicado este mes en la revista Computer Physics Communications, el equipo de investigación de Perturbo demuestra que puede ejecutarse de manera eficiente en una computadora con miles de núcleos de procesamiento. También ha sido diseñado para aprovechar al máximo la próxima generación de computadoras grandes, las llamadas supercomputadoras de exaescala.

"Durante la próxima década, continuaremos expandiendo las capacidades de nuestro código, y conviértalo en el punto de referencia para los cálculos de los primeros principios de la dinámica electrónica, "Dice Bernardi." Somos extremadamente ambiciosos para lo que tenemos en mente para este código. Actualmente puede investigar tanto los procesos de transporte como la dinámica ultrarrápida, pero en el futuro, las capacidades del código y el tipo de problemas que podemos abordar seguirán creciendo ".

El documento que describe a Perturbo, noble, "Perturbo:un paquete de software para interacciones ab initio electrón-fonón, transporte de carga y dinámica ultrarrápida, "aparece en Computer Physics Communications.