Densidades de spin de Monte Carlo de difusão para ferromagnético Ti4O7 de baixa temperatura (à esquerda), antiferromagnético 3 (centro), e antiferromagnética 1 fases. Amarelo representa uma densidade de spin positiva (ou spin para cima) e azul representa uma densidade de spin negativa (ou spin para baixo). Crédito:Anouar Benali e Olle Heinonen, Laboratório Nacional de Argonne
Ao executar simulações quânticas de Monte Carlo intensivas em computação no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility, pesquisadores demonstraram a capacidade de calcular com precisão as propriedades magnéticas de um material de óxido de titânio que exibe propriedades úteis para energia renovável e tecnologias de computação.
Sua casa provavelmente está cheia de dióxido de titânio (TiO2), da pintura em suas paredes, para o protetor solar e pasta de dente em seu banheiro, para os papéis em sua mesa. Um pó branco brilhante, o dióxido de titânio é um óxido de metal de transição que possui muitas propriedades favoráveis, incluindo as ópticas e catalíticas.
"Os óxidos de titânio são compostos de metal de transição versáteis que podem ser usados para uma variedade de aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos e fotocatálise, "disse Olle Heinonen, cientista de materiais do Laboratório Nacional de Argonne.
Embora o dióxido de titânio possa ser o material de óxido de titânio mais conhecido, um de seus derivados, Ti 4 O 7 , é outro material de interesse devido às suas aplicações potenciais em memórias resistivas e eletrodos de células a combustível à base de óxido. Para explorar esses aplicativos, os cientistas precisam entender melhor suas propriedades eletrônicas e magnéticas.
Com o poder computacional do Mira, o supercomputador IBM Blue Gene / Q de 10 petaflops do ALCF, pesquisadores têm, pela primeira vez, calculou com precisão as propriedades magnéticas do Ti 4 O 7 com simulações de Monte Carlo quântico (QMC).
Os resultados da equipe, publicado em Físico Química Física Química , revelar o Ti 4 O 7 estado fundamental - as propriedades do material no estado de energia mais baixo possível. Ao calcular com precisão o estado fundamental, os pesquisadores são capazes de determinar ou inferir muitas propriedades importantes do material, como estrutura de cristal, condutividade, e magnetismo.
"Calcular o estado fundamental é crucial para previsões computacionais do comportamento de um material em condições realistas em que a temperatura, pressão, e o tempo pode mudar sua estrutura, "disse Anouar Benali, Cientista computacional da ALCF e principal autor do estudo.
Porque Ti 4 O 7 tem vários estados magnéticos próximos em energia, os cientistas eram anteriormente incapazes de determinar de forma conclusiva o estado fundamental por meio de experimentos ou outros métodos computacionais, como a teoria do funcional da densidade (DFT). Contudo, com acesso a Mira, a equipe de pesquisa foi capaz de realizar cálculos QMC que ajudaram a resolver a incerteza de longa data com Ti 4 O 7 identificando as três fases magnéticas que comprometem o estado fundamental do material.
Embora o QMC exija até 1, 000 vezes o poder de computação de um cálculo DFT típico, o método é capaz de calcular com precisão as interações complexas entre muitos elétrons. Devido às suas despesas computacionais, Simulações de QMC já foram limitadas a sistemas de modelagem de pequenos átomos ou moléculas, mas o surgimento de supercomputadores como Mira tornou possível usar o QMC para cálculos rigorosos em materiais mais complicados.
Para o Ti 4 O 7 estude, pesquisadores usaram o aplicativo QMCPACK desenvolvido por Argonne, Oak Ridge, Sandia, e os laboratórios nacionais Lawrence Livermore. Ao reescrever as partes mais intensivas de computação do QMCPACK usando extensões específicas do compilador (chamadas intrínsecas de vetor) para melhor utilizar o processador IBM Blue Gene / Q, Cientistas computacionais ALCF, incluindo Benali, Ye Luo, e Vitali Morozov, foram capazes de melhorar o desempenho QMCPACK no Mira em 30 por cento. Adicionalmente, reescrevendo o código para usar precisão única em vez de precisão dupla nas principais estruturas de dados, eles diminuíram a quantidade de dados que precisavam ser armazenados na memória em 45 por cento.
"Essas melhorias no código nos permitiram estudar sistemas eletrônicos maiores em um período de tempo mais curto, "Benali disse.
