پارادایمی جدید برای شبیه‌سازی ساختارهای الکترونی

فرایندهای ریاضی بنیادین برای توصیف ساختارهای الکترونی استفاده می‌شوند؛ اما به خاطر کاربرد پیچیده، پیشرفت علوم فیزیک، شیمی و مواد را با مانع روبرو کرده‌اند. خوشه‌های محاسباتی پیشرفته و روش شبیه‌سازی DFT (نظریه تابع چگالی Density functional theory ) اوضاع را تا حدی تغییر داده‌اند، اما حتی فرآیندهای مبتنی بر این ابزارها نیز گاهی دچار خطای ساده‌سازی می‌شوند. فیزیک‌دانان مرکز CASUS و مؤسسه فیزیک تابش HZDR موفق به ارتقای روش DFT شده‌اند. همان‌طور که نویسندگان در ژورنال Chemical Theory and Computation توضیح می‌دهند، این دستاورد فرصت‌های ‌بی‌شماری برای آزمایشات مربوط به لیزرهای با شدت فوق‌بالا Ultra-high intensity lasers  به ارمغان آورده‌ ‌است.

دکتر توبیاس دورنهایم، سرپرست پژوهشگران، دکتر ژاندس مولدابکوف، نویسنده اول مقاله، و دکتر جان وربرگر، از مؤسسه فیزیک تابش HZDR، به دنبال حل یکی از بنیادی‌ترین چالش‌های عصر حاضر، یعنی توصیف دقیق تعامل میلیاردها ذرات کوآنتومی همچون الکترون‌ها، بوده‌اند. سیستم‌های بس‌ذره‌ای Many-body systems  در دل بسیاری از پژوهش‌های فیزیک، شیمی، علوم مواد و حوزه‌های مشابه قرار دارند. در واقع می‌توان گفت همین رفتار مکانیکی کوآنتومی پیچیده الکترون‌هاست که بیشتر خواص مواد را تعیین می‌کند. فرایندهای ریاضی تا کنون برای توصیف ساختارهای الکترونی استفاده شده‌اند؛ اما کاربرد پیچیده‌شان درک موادی را که با ظرافت طراحی شده‌اند، با محدودیت روبرو می‌سازد.

آن‌چه اوضاع را کمی تغییر داده است، خوشه‌های محاسباتی مدرن و پیشرفته‌ای هستند که به پیدایش حوزه‌ای جدید از نظریات محاسباتی بس‌ذرات کوآنتومی انجامیده‌اند. یکی از این ابزارهای کارآمد نظریه تابع چگالی یا DFT است که در حال حاضر، از مهم‌ترین روش‌های شبیه‌سازی در فیزیک، شیمی و علوم مواد به شمار رفته و بینشی بی‌سابقه نسبت به خواص مواد فراهم آورده است. DFT به ویژه در توصیف سیستم‌های بس‌الکترونی مفید بوده است. طی دهه‌ گذشته، محاسبات DFT کاربردهای علمی روزافزونی داشته و برای محاسبه‌ دقیق خواص مواد به کار رفته‌اند.

غلبه بر مشکل ساده‌سازی

بسیاری از خواصی که از طریق DFT محاسبه می‌شوند، در چارچوب نظریه پاسخ خطی Linear response  جای می‌گیرند. کاربرد دیگر نظریه ساختارهای الکترونی در آزمایشاتی است که پاسخ خطی سیستم‌ها را به یک آشفتگی بیرونی همچون لیزر اندازه می‌گیرند. در این آزمایشات، سیستم ارزیابی شده و پارامترهای اساسی همچون چگالی و دما به دست می‌آیند. با این حال، علی‌رغم کاربرد گسترده نظریه خطی در فیزیک و حوزه‌های مربوطه، معمولا این نظریه برای آزمایشات و نظریاتی مناسب است که در وهله‌ اول امکان‌پذیر باشند. به همین دلیل، کاربردش به معنی ساده‌سازی بیش از حد، و بالتبع محدودیت‌های علمی چشمگیر، است.

پژوهشگران در تلاش‌اند روش DFT را بسط داده و از نظام ساده‌ خطی فراتر بروند تا بتوان اثرات غیرخطی مقادیری همچون امواج چگالی، توان توقف و عوامل ساختاری را محاسبه و با نتایج تجربی حاصل از مواد واقعی مقایسه کرد.

تا پیش از این، اثرات غیرخطی تنها از طریق مجموعه‌ای از روش‌های محاسباتی دقیق، همچون شبیه‌سازی کوآنتومی مونته‌کارلو quantum Monte Carlo simulation ، قابل بازآفرینی بودند. علی‌رغم نتایج دقیق، با توجه به محدودیت‌های این روش و توان محاسباتی بالایی که نیاز دارد، باید به دنبال روش‌های سریع‌تری برای شبیه‌سازی بود. ژاندوس مولدابکوف می‌گوید: «رویکرد DFT که در این مقاله ارائه داده‌‌ایم، بین 1,000 تا 10,000 برابر سریع‌تر از محاسبات کوآنتومی مونته‌کارلو است. به علاوه، از نظر دمایی محدودیتی ندارد و بدون کاهش دقت نتایج، هم شرایط معتدل و هم شدید را پوشش می‌دهد. شناسایی خواص الکترون‌های وابسته به کوآنتوم Quantum-correlated electrons  از طریق روش مبتنی بر DFT اجازه می‌دهد پدیده‌ غیرخطی جدیدی را در مواد پیچیده مطالعه کنیم.»

فرصت‌های بیشتر برای لیزرهای مدرن الکترون آزاد

جان وربرگر توضیح می‌دهد: «این رویکرد با قابلیت‌های تسهیلات آزمایشی جدید همچون Helmholtz International Beamline for Extreme Fields، مرکز تازه‌تأسیس زیرمجموعه HZDR نیز تناسب دارد. با لیزرهای قدرتمند و لیزرهای الکترون آزاد می‌توانیم برانگیختگی‌های غیرخطی را با دقت بازآفرینی کرده و با رزولوشن فضایی و زمانی بی‌سابقه مورد مطالعه قرار دهیم. برای اولین بار، ابزارهای نظری و تجربی لازم برای مطالعه‌ اثرات جدید مواد در شرایط افراطی را در دست داریم.»

توبیاس دورنهایم در ادامه می‌گوید: «پژوهش حاضر به خوبی مسیر گروه پژوهشی «جلوداران نظریه محاسباتی بس‌ذرات کوآنتومی» را نشان می‌دهد. گروه ما در اوایل سال 2022 تأسیس شد و تا کنون، عموماً در جامعه فیزیک چگالی انرژی-بالا فعال بوده است. اکنون تلاش داریم تا با ارائه‌ راهکارهای محاسباتی برای بس‌ذرات کوآنتومی در بافت‌های گوناگون، مرز نوآوری‌های علمی را جابجا کنیم. پیشرفت‌های فعلی در نظریه ساختارهای الکترونی برای پژوهشگران عرصه‌های مختلف مفید خواهد بود.»

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید