Conditions cartographiées grâce à des simulations sur les supercalculateurs DOE et TACC pour prédire les polarons dans les matériaux 2D


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    Une nouvelle page a été tournée dans la recherche des scientifiques pour développer des matériaux de pointe utilisés dans les téléviseurs à diodes électroluminescentes organiques (OLED), les écrans tactiles, etc. L’avancée implique le polaron, une quasi-particule constituée d’un électron et de ses distorsions environnantes d’atomes dans un réseau cristallin.

    Des simulations sur le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC) ont aidé les scientifiques à cartographier pour la première fois les conditions qui caractérisent les polarons dans les matériaux 2D, les matériaux les plus minces jamais fabriqués.

    “Nous avons tracé une carte pour indiquer dans quels matériaux les polarons doivent être trouvés, dans quelles conditions et les caractéristiques de leurs propriétés”, a déclaré Feliciano Giustino, professeur de physique et titulaire de la chaire WA ‘Tex’ Moncrief, Jr. d’ingénierie des matériaux quantiques à l’Oden Institute for Computational Engineering and Sciences (Oden Institute) et le Département de physique du Collège des sciences naturelles de l’Université du Texas à Austin.

    Comprendre les polarons peut aider à améliorer les performances et l’efficacité d’appareils tels que les écrans tactiles pour téléphones et tablettes, et les diodes électroluminescentes organiques des téléviseurs OLED, qui reposent sur le transport de charge électrique par les polarons.

    De plus, la production d’hydrogène à partir de la séparation de l’eau par la lumière du soleil est considérée comme le “Saint Graal” de la science de l’énergie, un processus qui peut être réalisé grâce au transport de charge des polarons dans des matériaux clés tels que le dioxyde de titane.

    Giustino est l’auteur principal d’un travail publié en février 2023 dans Physique naturelle. Dans ce document, lui et le co-auteur de l’étude Weng Hong Sio de l’Institut Oden et de l’Université de Macao ont déterminé les propriétés fondamentales des polarons dans les matériaux 2D en utilisant la théorie et le calcul de la mécanique quantique.

    Jusqu’à présent, on savait peu de choses sur les polarons dans les matériaux 2D. Les polarons ont été bien étudiés théoriquement au cours des 100 dernières années et caractérisés expérimentalement pour les solides en vrac tridimensionnels.

    Giustino et Sio se sont concentrés sur des monocouches cristallines atomiquement minces de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sur du graphène comme étude de cas, où les polarons ont été calculés et comparés dans le cristal en vrac et dans la monocouche. Ensuite, ils ont créé un modèle généralisé de polarons dans des matériaux 2D.

    “Notre objectif était de comprendre où l’on peut trouver des polarons en deux dimensions et quelles sont leurs propriétés. Pour ce faire, nous avons utilisé une nouvelle méthode de calcul que nous avons développée”, a déclaré Giustino.

    Giustino de l’Oden Institute a inventé EPW, un code open-source Fortran et interface de transmission de messages (MPI) qui calcule les propriétés liées à l’interaction électron-phonon à l’aide de la théorie de la perturbation fonctionnelle de la densité et des fonctions de Wannier localisées au maximum. Ce code est actuellement développé par une collaboration internationale dirigée par l’Institut Oden.

    “Nous avons utilisé des supercalculateurs pour effectuer les calculs, principalement ceux du DOE (Argonne Leadership Computing Facility et National Energy Research Scientific Computing) ainsi que Frontera au TACC. EPW est quelque chose que nous avons optimisé très fortement sur Frontera”, a déclaré Giustino.

    Pendant les Texascale Days de TACC, Giustino a obtenu l’accès à la machine complète, permettant à son groupe d’effectuer des exécutions complètes du système sur les 448 000 cœurs de processeur de Frontera.

    “Grâce au soutien du DOE, nous avons refactorisé l’EPW pour l’informatique exascale au cours des 4 dernières années”, a déclaré Giustino. “Le supercalculateur Frontera de TACC nous a aidés dans cet effort. Nous avons réussi à refactoriser le code EPW pour atteindre 92 % de la mise à l’échelle idéale. La possibilité d’accéder à l’ensemble de la machine dans Texascale Days a été absolument essentielle pour nous amener là où nous en sommes maintenant avec le code.”

    Le supercalculateur Frontera de TACC, financé par la National Science Foundation (NSF), est le système universitaire le plus puissant des États-Unis. ), qui sera 10 fois plus puissant que Frontera.

    “TACC nous a donné l’opportunité de développer les codes sur des systèmes à grande échelle, ce qui n’a été possible nulle part ailleurs”, a déclaré Giustino.

    Son code EPW est l’un des 21 projets CSA sélectionnés par TACC pour être comparés et optimisés pour le LCCF – ces dernières simulations polaron sont liées au projet CSA de Giustino.

    De plus, Giustino poursuit sa solide collaboration avec TACC grâce à une récente subvention pour développer un logiciel permettant de concevoir de nouveaux matériaux, décernée par le NSF Office for Advanced Cyberinfrastructure via le programme Cyberinfrastructure for Sustained Scientific Innovation (CSSI). La subvention financera le développement de logiciels pour concevoir de nouveaux matériaux.

    Le ministère de l’Énergie (DOE) a financé les derniers travaux de Giustino avec les polarons dans le cadre du prix du Bureau des sciences du DOE, des sciences de l’énergie de base, des sciences des matériaux informatiques. DE-SC0020129.

    “Le National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) a fourni les principales ressources que nous utilisons pour ce projet du DOE. Nous avons effectué une partie importante de nos calculs sur les superordinateurs Cori et Perlmutter au NERSC”, a déclaré Giustino.

    Les calculs portent sur les énergies de formation, les fonctions d’onde et les déplacements atomiques des polarons, un paquet d’ondes quantiques constitué d’un électron “habillé” par un nuage de vibrations atomiques.

    Les électrons seuls se comportent comme des ondes délocalisées, et les polarons se comportent différemment en ce sens que le paquet d’ondes saute d’un site du réseau à un autre. “Ce régime de” transport par sauts “confère au matériau de nouvelles propriétés et a des implications sur la conception de matériaux pour l’électronique”, a déclaré Giustino.

    Le paquet s’étend sur 10 nanomètres, englobant environ 30 000 atomes de bore et d’azote, compte tenu de toutes les interactions entre atomes. Ce type de calcul n’est pas possible actuellement en utilisant les méthodes standard de la théorie fonctionnelle de la densité.

    “Nous avons refondu ce problème dans la solution d’un très grand problème de valeurs propres non linéaires. Ensuite, nous avons utilisé des superordinateurs pour résoudre ce gigantesque problème d’algèbre linéaire”, a déclaré Giustino.

    “Nous pensons qu’avec ces nouvelles méthodes que nous avons développées via le code EPW, nous capitalisons et soutenons désormais les données expérimentales et voyons de nouvelles directions dans la conception des matériaux”, a-t-il ajouté.

    Giustino a déclaré : « Les matériaux que nous connaissons aujourd’hui ne représentent qu’une infime fraction de ce qui est possible. Les superordinateurs sont essentiels pour explorer cet espace précieux et gigantesque sans avoir à investir d’abord des milliards dans la synthèse expérimentale et la caractérisation des matériaux. voir plus facilement ce qui est possible, ce que je préconise fortement et je souhaite que les États-Unis maintiennent leur leadership dans la recherche sur les matériaux grâce à un soutien soutenu au calcul haute performance.”

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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