O foco e objetivo final da pesquisa computacional em ciência dos materiais e física da matéria condensada é resolver a equação de Schrödinger - a equação fundamental que descreve como os elétrons se comportam dentro da matéria - exatamente (sem recorrer a aproximações simplificadoras). Embora os experimentos possam certamente fornecer informações interessantes sobre as propriedades de um material, muitas vezes são os cálculos que revelam o mecanismo físico subjacente. Contudo, cálculos não precisam depender de dados experimentais e podem, na verdade, ser realizado de forma independente, uma abordagem conhecida como "cálculos ab initio". A teoria do funcional da densidade (DFT) é um exemplo popular de tal abordagem.

Para a maioria dos cientistas materiais e físicos da matéria condensada, Os cálculos DFT são o pão com manteiga de sua profissão. Contudo, apesar de ser uma técnica poderosa, O DFT teve sucesso limitado com "materiais fortemente correlacionados" - materiais com propriedades eletrônicas e magnéticas incomuns. Esses materiais, embora interessantes por conta própria, também possuem propriedades tecnológicas úteis, um fato que motiva fortemente um framework ab initio adequado para descrevê-los.

Para esse fim, uma estrutura conhecida como "Ab initio Quantum Monte Carlo" (QMC) mostrou-se bastante promissora e espera-se que seja a próxima geração de cálculos de estrutura eletrônica devido à sua superioridade sobre DFT. Contudo, mesmo QMC é amplamente restrito a cálculos de energia e forças atômicas, limitando sua utilidade no cálculo de propriedades de materiais úteis.

Agora, em um estudo inovador publicado em Revisão Física B (Sugestão dos editores), os cientistas levaram as coisas para o próximo nível com base em uma abordagem que lhes permite reduzir o erro estatístico na avaliação da força atômica em duas ordens de magnitude e, subsequentemente, acelera o cálculo por um fator de 10 ⁴ ! "A redução drástica no tempo computacional irá expandir muito a gama de cálculos QMC e permitir uma previsão altamente precisa das propriedades atômicas de materiais que têm sido difíceis de manusear, "observa o professor assistente Kousuke Nakano do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), quem, junto com seus colegas Prof. Ryo Maezono de JAIST, Prof. Sandro Sorella da Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA), Itália, e Dr. Tommaso Morresi e Prof. Michele Casula da Sorbonne Université, França, liderou esta conquista inovadora.

A equipe aplicou seu método desenvolvido para calcular as vibrações atômicas do diamante, um material de referência típico, como uma prova de conceito e mostrou que os resultados eram consistentes com os valores experimentais. Para realizar esses cálculos, eles usaram um grande computador, Cray-XC40, localizado no Centro de Pesquisa para Infraestrutura de Computação Avançada no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), Japão, junto com outro localizado em RIKEN, Japão. A equipe fez uso de um pacote de software QMC chamado "TurboRVB, "inicialmente lançado pelo Prof. Sorella e Prof. Casula e desenvolvido posteriormente pelo Prof. Nakano juntamente com outros, para realizar cálculos de dispersão de fônons para diamantes que antes eram inacessíveis, expandindo enormemente seu escopo.

O Prof. Nakano espera as aplicações do QMC em informática de materiais (MI), um campo dedicado ao design e busca de novos materiais usando técnicas da ciência da informação e física computacional. "Embora o MI seja atualmente governado pela DFT, os rápidos desenvolvimentos no desempenho do computador, como o supercomputador exascale, ajudará o QMC a ganhar popularidade. A esse respeito, nosso método desenvolvido será muito útil para projetar novos materiais com aplicações da vida real, "conclui um Dr. Nakano otimista.