محققان دانشکده مهندسی مولکولی Pritzker دانشگاه شیکاگو، با همکاری آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه Modena Reggio Emilia، ابزار محاسباتی پیشگامانه‌ای را با هدف توصیف رفتار اتم‌ها در مواد کوانتومی هنگام جذب و گسیل نور معرفی کردند. این ابزار که به عنوان WEST-TDDFT (نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان بدون حالت‌های خالی) شناخته می‌شود، قرار است در بسته نرم افزاری متن باز WEST ادغام شود. این توسعه به عنوان بخشی از برنامه مرکز یکپارچه مواد محاسباتی غرب میانه (MICCoM) به رهبری پروفسور Marco Govoni انجام می‌شود. این ابزار محاسباتی آماده است تا مطالعه و مهندسی مواد برای فناوری‌های کوانتومی را متحول کند.
ابزار توسعه یافته توسط این تیم تحقیقاتی بر درک برهم‌کنش نور با مواد در سطح اتمی تمرکز دارد، که یک جنبه حیاتی برای پیشرفت کاربردهای کوانتومی است. Giulia Galli، استاد مهندسی مولکولی و نویسنده ارشد مقاله منتشر شده در مجله Journal of Chemical Theory and Computation، بر توانایی این ابزار برای مطالعه سیستم‌ها و خواصی که قبلاً در مقیاس بزرگ غیرقابل دسترسی بودند، تأکید می‌کند. نویسندگان مقاله دقت این ابزار را با اعمال آن بر روی سه ماده برپایه نیمه‌هادی‌های مختلف تأیید کردند و تطبیق پذیری و کاربرد بالقوه آن را برای طیف وسیعی از مواد مرتبط نشان دادند.
این ابزار محاسباتی به یک چالش دیرینه در تحقیقات مواد کوانتومی می‌پردازد؛ توضیح فرآیندهای اتمی در مواد در حالت برانگیخته، به ویژه برای سیستم های بزرگ و پیچیده. معادلات مکانیک کوانتومی حاکم بر این سیستم‌ها بسیار پیچیده هستند و به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارند. با این حال، این تیم روش کارآمدتری را برای حل این معادلات بدون تأثیر منفی بر دقت محاسبات ایجاد کرده است. افزایش سرعت و کارایی محاسبات، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سیستم‌های بزرگ‌تر را راحت‌تر مطالعه کنند و پیش‌بینی‌های نظری را به شرایط تجربی موجود در آزمایشگاه‌ها نزدیک کنند.
این رویکرد توسعه‌یافته با معماری‌های مختلف رایانه‌ای، از جمله واحد پردازش مرکزی (CPU) و واحد پردازش گرافیکی (GPU) سازگار است. این ابزار می‌تواند حالت برانگیخته نقص‌های نقطه‌ای را در موادی مانند الماس، کاربید سیلیکون 4H و اکسید منیزیم تجزیه و تحلیل کند، حتی زمانی که این سیستم‌ها شامل صدها یا هزاران اتم هستند. البته تأثیر این تحقیق فراتر از فناوری‌های کوانتومی است و کاربردهای بالقوه‌ای در سیستم‌های انرژی نیز دارد. پیشرفت در ابزارهای محاسباتی برای درک و دستکاری مواد کوانتومی به پیشرفت مداوم در مهار اصول مکانیک کوانتومی برای کاربردهای عملی منجر می‌شود.
منبع
Williams, Sarah and University of Chicago. “An Advanced Computational Tool for Understanding Quantum Materials.” Phys.org, 21 Dec. 2023, phys.org/news/2023-12-advanced-tool-quantum-materials.html. Accessed 26 Dec. 2023.
Yu Jin, Victor Wen-zhe Yu, Marco Govoni, Andrew C. Xu, and Giulia Galli, “Excited State Properties of Point Defects in Semiconductors and Insulators Investigated with Time-Dependent Density Functional Theory”, Journal of Chemical Theory and Computation , 2023, 19 (23), 8689-8705. DOI: 10.1021/acs.jctc.3c00986
