Verbesserte Simulation von Kernquanteneffekten
Auf dem Quantenniveau verhalten sich Materialien auf eine Weise, die sich wesentlich vom Alltag in der Newtonschen Welt unterscheidet. So kann das Verhalten bei Materialien und Bauelementen, die Wasserstoffatome oder andere leichte Atome enthalten, beeinflusst sein. Man setzt computergestützte Simulationsverfahren ein, um dieses Verhalten zu modellieren. Für Systeme mit kondensierter Phase bildet die Dichtefunktionaltheorie (DFT) einen ausreichend genauen Rahmen zur Betrachtung der elektronischen Quantenstruktur. Diese DFT ist jedoch teuer. In bestimmten Fällen ist eine Kombination von DFT-Simulationen mit Wegintegral-Molekulardynamik (PIMD) wünschenswert, die einen passenden Ansatz für Abweichungen vom Newtonschen Verhalten bildet. Das Problem dabei ist, dass deren gemeinsame Nutzung sowohl sehr kostspielig als auch zeitaufwendig ist. Ziel des Projekts "Fast and accurate simulation of nuclear quantum effects in ab-initio molecular dynamics by a generalised Langevin equation" (NQEAIMD) sind weitaus preiswertere PIMD-Simulationen. Man sollte eine Kombination von Kernquanteneffekten (NQE) mit DFT-Simulationen vereinfachen. Die Forscher begannen damit, eine verallgemeinerte GLE-Gleichung für farbiges Rauschen (Generalised Langevin Equation) auf eine PIMD-Simulation anzuwenden. Nach der Herleitung dieser Methode untersuchten sie die Auswirkungen von Kernquanteneffekten auf die Eigenschaften von Wasser. Dann erweiterten sie das Verfahren auf komplexere Probleme im Zusammenhang mit experimentellen Gruppen. Das Team entwickelte eine Hybridmethode mit der Bezeichnung PI+GLE, welche die Kosten auf ein Fünftel oder weniger reduziert. Im Folgenden wurde PI+GLE dann verbessert, um das PIGLET-Verfahren zu entwickeln, das die Einbeziehung von Kernquanteneffekten in die Ab-initio-Molekulardynamik zu einer Routineangelegenheit machen könnte. Zu diesem Zweck erschufen die Forscher außerdem i-PI, eine Schnittstelle unter Einsatz von elektronischen Strukturcodes, und veröffentlichten diese als Open-Source-Code. Die Resultate von NQEAIMD werden Einfluss auf die Arbeit von anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an Computersimulationen haben. Die Simulationen sollten im Fall von Materialien und chemischen Stoffen, die leichte Atome einschließlich Wasserstoff enthalten, noch genauer ausfallen. Dies wiederum könnte eine Realisierung der Möglichkeiten des computergestützten Materialdesigns fördern. Bessere Batterien, Enzyme, Brennstoffzellen und auch andere Bauelemente sind hier das Ziel.