Um novo software desenvolvido na Caltech torna mais fácil estudar o comportamento dos elétrons em materiais - mesmo materiais que foram previstos, mas ainda não existem. O software, chamado Perturbo, está ganhando força entre os pesquisadores.

Perturbo calcula em um nível quântico como os elétrons interagem e se movem dentro de um material, fornecendo detalhes microscópicos úteis sobre a chamada dinâmica de elétrons. Este tipo de simulação permite aos pesquisadores prever o quão bem algo como um metal ou semicondutor conduzirá eletricidade a uma determinada temperatura, ou como os elétrons em um material irão responder à luz, por exemplo. O software agora tem cerca de 250 usuários ativos, diz Marco Bernardi, professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais. Perturbo foi desenvolvido pelo laboratório de Bernardi, em um esforço de equipe liderado por Bernardi e Jin-Jian Zhou, um ex-bolsista de pós-doutorado que agora é professor assistente no Instituto de Tecnologia de Pequim.

Perturbo pode modelar como os elétrons que se movem através de um material interagem com os átomos que constituem o material. À medida que os elétrons fluem, eles colidem com esses átomos, que estão sempre vibrando. A maneira como essas colisões ocorrem e a frequência com que ocorrem determinam as propriedades elétricas de um material. As mesmas interações também governam o comportamento de materiais excitados com luz, por exemplo, em uma célula solar ou em experimentos de espectroscopia ultrarrápida. Este último investiga o movimento dos elétrons e átomos em escalas de tempo muito curtas (até um milionésimo bilionésimo de segundo, um femtossegundo), e Perturbo fornece novas ferramentas computacionais para interpretar esses experimentos avançados.

"Tipicamente, o principal mecanismo que limita o transporte de elétrons é o movimento atômico, ou os chamados fônons, "Bernardi diz." Ser capaz de calcular essas interações elétron-fônon torna esses estudos de transporte e dinâmica ultrarrápida possíveis, preciso, e eficiente. Pode-se investigar a física microscópica de um grande número de compostos com este método e usar essa informação para criar materiais melhores. "

Bernardi diz que Perturbo representa um grande avanço na área, que no passado se baseou principalmente em modelos simples baseados em experimentos do mundo real.

"Nos anos 1980, papéis que estudam transporte elétrico mesmo em semicondutores simples continham tabelas com dezenas de parâmetros para descrever as interações eletrônicas. O campo desde então não evoluiu muito, " ele diz.

A primeira versão do Perturbo foi lançada há pouco mais de um ano, e tem conquistado usuários de forma constante desde então. Duas oficinas virtuais realizadas pelo grupo de Bernardi no outono passado treinaram centenas de novos usuários de Perturbo, incluindo alguns de grupos de pesquisa da Caltech, Bernardi diz.

Perturbo foi projetado para funcionar em supercomputadores modernos, Bernardi diz, e em um artigo publicado este mês na revista Computer Physics Communications, a equipe de pesquisa da Perturbo demonstra que é capaz de funcionar de forma eficiente em um computador com milhares de núcleos de processamento. Ele também foi projetado para aproveitar ao máximo a próxima geração de grandes computadores, os chamados supercomputadores exascale.

"Na próxima década, continuaremos a expandir os recursos de nosso código, e torná-lo o ponto de partida para cálculos de primeiros princípios da dinâmica do elétron, "Bernardi diz." Somos extremamente ambiciosos com o que temos em mente para este código. Ele pode atualmente investigar os processos de transporte e dinâmica ultrarrápida, mas, no futuro, os recursos de código e os tipos de problemas que podemos resolver continuarão a crescer. "

O artigo que descreve Perturbo, intitulado, "Perturbo:um pacote de software para interações elétron-fônon ab initio, transporte de carga e dinâmica ultrarrápida, "aparece em Computer Physics Communications.