Un nouveau logiciel développé à Caltech facilite l'étude du comportement des électrons dans les matériaux, même les matériaux qui ont été prédits mais n'existent pas encore. Les logiciels, appelé Perturbo, gagne du terrain parmi les chercheurs.

Perturbo calcule au niveau quantique comment les électrons interagissent et se déplacent dans un matériau, fournissant des détails microscopiques utiles sur ce qu'on appelle la dynamique des électrons. Ce type de simulation permet aux chercheurs de prédire dans quelle mesure quelque chose comme un métal ou un semi-conducteur conduira l'électricité à une température donnée, ou comment les électrons d'un matériau réagiront à la lumière, par exemple. Le logiciel compte maintenant environ 250 utilisateurs actifs, dit Marco Bernardi, professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux. Perturbo a été développé par le laboratoire de Bernardi, dans un effort d'équipe dirigé par Bernardi et Jin-Jian Zhou, un ancien chercheur postdoctoral qui est maintenant professeur adjoint à l'Institut de technologie de Pékin.

Perturbo peut modéliser comment les électrons se déplaçant à travers un matériau interagissent avec les atomes qui le composent. Au fur et à mesure que les électrons circulent, ils entrent en collision avec ces atomes, qui vibrent toujours. La façon dont ces collisions se produisent et leur fréquence déterminent les propriétés électriques d'un matériau. Les mêmes interactions régissent également le comportement des matériaux excités par la lumière, par exemple dans une cellule solaire ou dans des expériences de spectroscopie ultrarapide. Ces derniers étudient le mouvement des électrons et des atomes sur des échelles de temps très courtes (jusqu'au millionième milliardième de seconde, une femtoseconde), et Perturbo fournit de nouveaux outils de calcul pour interpréter ces expériences avancées.

"Typiquement, le principal mécanisme qui limite le transport des électrons est le mouvement atomique, ou ce qu'on appelle des phonons, " dit Bernardi. " Pouvoir calculer ces interactions électron-phonon rend possible ces études de transport et de dynamique ultrarapide, précis, et efficace. On pourrait étudier la physique microscopique d'un grand nombre de composés avec cette méthode et utiliser ces informations pour concevoir de meilleurs matériaux. »

Bernardi dit que Perturbo représente une grande avancée dans le domaine, qui, dans le passé, reposait principalement sur des modèles simples basés sur des expériences du monde réel.

"Dans les années 1980, les articles étudiant le transport électrique dans des semi-conducteurs, même simples, contenaient des tableaux avec des dizaines de paramètres pour décrire les interactions électroniques. Le domaine depuis n'a pas vraiment beaucoup évolué, " il dit.

La première version de Perturbo est sortie il y a un peu plus d'un an, et il a régulièrement gagné des utilisateurs depuis lors. Deux ateliers virtuels organisés par le groupe Bernardi l'automne dernier ont formé des centaines de nouveaux utilisateurs de Perturbo, dont certains des groupes de recherche de Caltech, dit Bernardi.

Perturbo a été conçu pour fonctionner sur des supercalculateurs modernes, Bernardi dit, et dans un article publié ce mois-ci dans la revue Computer Physics Communications, l'équipe de recherche Perturbo démontre qu'il est capable de fonctionner efficacement sur un ordinateur avec des milliers de cœurs de traitement. Il a également été conçu pour tirer pleinement parti de la prochaine génération de gros ordinateurs, les supercalculateurs dits exascale.

« Au cours de la prochaine décennie, nous continuerons à étendre les capacités de notre code, et en faire la référence pour les calculs des premiers principes de la dynamique des électrons, " dit Bernardi. " Nous sommes extrêmement ambitieux pour ce que nous avons en tête pour ce code. Il peut actuellement étudier à la fois les processus de transport et la dynamique ultrarapide, mais à l'avenir, les capacités du code et le type de problèmes que nous pouvons résoudre continueront de croître."

L'article décrivant Perturbo, titré, "Perturbo :un progiciel pour les interactions ab initio électron-phonon, transport de charge et dynamique ultrarapide, " apparaît dans Computer Physics Communications.