Les scientifiques des matériaux étudient et comprennent la physique des atomes en interaction dans les solides pour trouver des moyens d'améliorer les matériaux que nous utilisons dans tous les aspects de la vie quotidienne. La frontière de cette recherche ne réside pas dans l'essai et l'erreur, bien que; pour mieux comprendre et améliorer les matériaux aujourd'hui, les chercheurs doivent être capables d'étudier les propriétés des matériaux à l'échelle atomique et dans des conditions extrêmes. Par conséquent, les chercheurs s'appuient de plus en plus sur des simulations pour compléter ou éclairer les expériences sur les propriétés et les comportements des matériaux.

Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Arkady Krasheninnikov, physicien au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, collabore avec des expérimentateurs pour répondre à des questions fondamentales sur les propriétés des matériaux, et l'équipe a récemment signalé une percée :les expérimentateurs ont pu observer en temps réel le comportement des atomes de lithium lorsqu'ils sont placés entre deux feuilles de graphène. Une feuille de graphène est un matériau 2-D, comme il n'a qu'un atome d'épaisseur, qui a permis d'observer le mouvement des atomes de lithium dans des expériences de microscopie électronique à transmission (MET).

Avec un accès aux ressources de calcul intensif du Gauss Center of Supercomputing (GCS), L'équipe de Krasheninnikov a utilisé le supercalculateur Hazel Hen du High-Performance Computing Center de Stuttgart (HLRS) pour simuler, confirmer et développer les résultats expérimentaux de l'équipe. Le travail de collaboration a été récemment publié dans La nature .

"Les matériaux bidimensionnels présentent des propriétés utiles et passionnantes, et peut être utilisé pour de nombreuses applications, non seulement comme support en TEM, " dit Krasheninnikov. " Essentiellement, Les matériaux 2D sont à la pointe de la recherche sur les matériaux. Il y a probablement environ quelques milliers de ces matériaux, et environ 50 ont effectivement été fabriqués. »

Sous le microscope

Pour mieux comprendre expérimentalement les matériaux 2D, les chercheurs utilisent couramment la MET. La méthode leur permet de suspendre de petites, des morceaux minces d'un matériau et y faire passer un faisceau d'électrons à haute énergie, créant finalement une image agrandie du matériau que les chercheurs peuvent étudier, un peu comme un projecteur de cinéma prend des images d'une bobine et les projette sur un écran plus grand. Avec cette vue sur un matériau, les expérimentateurs peuvent mieux tracer et estimer les positions et les arrangements des atomes.

Le faisceau à haute énergie peut faire plus que simplement aider les chercheurs à observer les matériaux, cependant, c'est aussi un outil pour étudier les propriétés électroniques des matériaux 2D. De plus, les chercheurs peuvent utiliser les électrons à haute énergie du MET pour éliminer des atomes individuels d'un matériau avec une grande précision afin de voir comment le comportement du matériau change en fonction du changement structurel.

Récemment, des expérimentateurs du Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart et l'Université d'Ulm voulaient mieux comprendre comment les particules de lithium interagissent entre deux feuilles de graphène de faible épaisseur. Mieux comprendre l'intercalation du lithium, ou en plaçant du lithium entre des couches d'un autre matériau (dans ce cas, graphène), aide les chercheurs à développer de meilleures technologies de batterie. Les expérimentateurs ont obtenu des données de TEM et ont demandé à Krasheninnikov et à ses collaborateurs de rationaliser l'expérience en utilisant la simulation.

Les simulations permettent aux chercheurs de voir la structure atomique d'un matériau sous différents angles, et ils peuvent également accélérer l'approche par essais et erreurs pour concevoir de nouveaux matériaux uniquement par le biais d'expériences. "Les simulations ne peuvent pas faire tout le travail, mais ils peuvent vraiment limiter le nombre de variantes possibles, et montrer la direction où aller, " dit Krasheninnikov. " Les simulations font économiser de l'argent aux personnes travaillant dans la recherche fondamentale et l'industrie, et comme résultat, la modélisation informatique devient de plus en plus populaire."

Dans ce cas, Krasheninnikov et ses collaborateurs ont découvert que les coordonnées atomiques des expérimentateurs, ou les positions des particules dans le matériau, ne serait pas stable, ce qui signifie que le matériau défierait les lois de la mécanique quantique. En utilisant les données de simulation, Krasheninnikov et ses collaborateurs ont suggéré une structure atomique différente, et lorsque l'équipe a réexécuté son expérience, il a trouvé une correspondance parfaite avec la simulation.

"Parfois, vous n'avez pas vraiment besoin d'une haute théorie pour comprendre la structure atomique sur la base de résultats expérimentaux, mais d'autres fois, il est vraiment impossible de comprendre la structure sans des approches informatiques précises qui vont de pair avec l'expérience, " dit Krasheninnikov.

Pour la première fois, les expérimentateurs ont observé en temps réel le comportement des atomes de lithium placés entre deux feuilles de graphène, et à l'aide de simulations, a compris comment les atomes étaient disposés. On supposait auparavant que dans un tel arrangement, le lithium serait structuré en une seule couche atomique, mais la simulation a montré que le lithium pouvait former des bi- ou tricouches, au moins en graphène bicouche, amener les chercheurs à rechercher de nouvelles façons d'améliorer l'efficacité des batteries.

L'équipe a effectivement exécuté des simulations de premiers principes de 1, systèmes de 000 atomes sur des périodes de temps pour observer des interactions matérielles à court terme (échelle de temps de la nanoseconde). Un plus grand nombre de cœurs sur les superordinateurs de nouvelle génération permettra aux chercheurs d'inclure plus d'atomes dans leurs simulations, ce qui signifie qu'ils peuvent modéliser des tranches plus réalistes et significatives d'un matériau en question.

Le plus grand défi, selon Kracheninnikov, concerne la durée pendant laquelle les chercheurs peuvent simuler des interactions matérielles. Afin d'étudier les phénomènes qui se produisent sur des périodes plus longues, comme la façon dont le stress peut former et propager une fissure dans le métal, par exemple, les chercheurs doivent être capables de simuler des minutes voire des heures pour voir comment le matériau change. Cela dit, les chercheurs doivent également prendre des pas de temps extrêmement courts dans leurs simulations pour modéliser avec précision les interactions atomiques ultra-rapides. Le simple fait d'utiliser plus de cœurs d'ordinateur permet aux chercheurs d'effectuer plus rapidement des calculs pour des systèmes plus importants, mais ne peut pas faire aller plus vite chaque pas de temps si un certain seuil de parallélisation est atteint.

Pour sortir de cette impasse, les chercheurs devront retravailler les algorithmes pour calculer plus efficacement chaque pas de temps sur un grand nombre de cœurs. Krasheninnikov a également indiqué que la conception de codes basés sur l'informatique quantique pourrait permettre des simulations capables d'observer des phénomènes matériels se produisant sur de plus longues périodes de temps - les ordinateurs quantiques peuvent être parfaits pour simuler des phénomènes quantiques. Quelle que soit la direction prise par les chercheurs, Krasheninnikov a noté que l'accès aux ressources de calcul intensif via GCS et PRACE lui permet, ainsi qu'à son équipe, de progresser continuellement. "Notre équipe ne peut pas faire de bonnes recherches sans de bonnes ressources informatiques, " il a dit.