Návrh materiálů – blíže realitě prostřednictvím exascalových výpočtů

Pevné látky, molekuly a atomy vibrují i při teplotě T=0 K kolem svých rovnovážných pozic. Tyto kolektivní mřížkové excitace (fonony) jsou zodpovědné za mnoho zajímavých jevů jako teplotní roztažnost, supravodivost a jiné. Díky výpočetnímu výkonu superpočítačů IT4Innovations je možné tyto jevy popsat na atomové úrovni a určit teplotní roztažnost a kapacitu jakéhokoliv materiálu přímo z kvantově-mechanických výpočtů bez použití experimentálních či jiných empirických parametrů. Výzkumný tým modeluje infračervené a ramanovská absorpční spektra a vzájemné interakce fononů, a tak je schopen porozumět přenosu tepla v materiálech a jeho vliv. Tyto výpočty umožňují navrhovat nová jaderná paliva, hledat ultratvrdé pevné látky podobné diamantu a také zlepšit účinnost (figure of merit) termoelektrických materiálů. Další oblastí, kterou se kolegové v rámci tohoto flagshipu zabývají, je studium interakce fononů s elektrony a fononů se spiny. To umožňuje studovat vznik supravodivosti a vůbec poprvé modelovat chování magnetických látek při konečných teplotách přímo pomocí kvantově-mechanických modelů, s cílem popsat chování magnetokalorik (chlazení pomocí magnetického pole) a porozumět ultrarychlé demagnetizaci pomocí laserového pulzu pro novou techniku ukládání dat.

Tým vlajkové lodi dále zkoumá, modeluje a navrhuje magnetické materiály v různých prostorových a časových měřítkách pro několik technologických aplikací. Výzkum nachází uplatnění pro magnetické záznamy dat, spintroniku, elektromotory, elektrické generátory, magnetické aktuátory, biomedicínu (magnetická hypertermie), magnetické chlazení a jiné. Aplikují a kombinují modelovací techniky k přesnému popsání a pochopení magnetických materiálů. K těmto metodám patří teorie funkcionálu hustoty (Density Functional Theory, DFT) umožňující výpočty intrinsických magnetických vlastností v mikroskopickém měřítku a určení nových magnetických fází pomocí moderních evolučních algoritmů, atomová spinová dynamika (pro zohlednění účinků konečné teploty), molekulární dynamika (pro studium hranic zrn a krystalové stability), mikromagnetismus (pro výpočet magnetických domén, mikrostrukturních efektů a hysterezních smyček v makroskopickém měřítku) a metoda konečných prvků k diskretizaci multifyzikálních modelů (pro simulaci výkonu magnetu za reálných provozních podmínek).

V rámci výzkumu technologií výroby tzv. čisté energie jsou navrhovány nové slitiny použitelné pro termonukleární fúzní reaktor, jako je např. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Jedná se o použití kvantově-mechanických modelů pro reálnou simulaci slitin stěn reaktoru, které jsou vystaveny horké vodíkové plasmě o teplotě cca 200 000 000 °C, která je jinak v prostoru omezena pouze externím magnetickým polem (5T). Použité metody tak kombinací kvantové mechaniky, statistické fyziky a vysoce výkonné výpočetní techniky vytvářejí jakýsi synergický modelovací nástroj. Nedávno byly získány překvapivé vlastnosti u ekviatomárních slitin tvořených pěti prvky stabilizované entropickým členem při vysokých teplotách s vlastnostmi značně odlišnými od vlastností jednoprvkových slitin. Začala éra nové kategorie slitin s vysokou (HEA), střední nebo nízkou entropií. I když jde hlavně o mechanické vlastnosti, nelze opomenout magnetické chování, které může ovlivnit stabilitu fáze nebo mechanické vlastnosti. Úplně první HEA se skládá z prvků Cr-Mn-Fe-Co-Ni, které se na RT chovají překvapivě paramagneticky. Cílem je tedy určit vliv složení a substitucí slitiny na její magnetické chování.

Návrh a predikce fyzikálních vlastností reálných materiálů vyžaduje co nejpřesnější simulace velkého množství atomů, ze kterých je látka složena. Výpočty elektronové struktury, např. založené na DFT, se stávají hlavní výpočetní metodou v materiálovém výzkumu. Nicméně standardní výpočty DFT jsou prováděny jen pro systémy od jednotek do několika set atomů, a to jak z důvodů potřebného výpočtového času, tak i požadované paměti, neboť výpočetní náročnost roste s třetí, případně čtvrtou mocninou počtu atomů. Pro reálnější systémy obsahující dislokace, rozhraní, hranice zrn, náhodné uspořádání slitin, nanočástice a biomolekuly, je potřeba provést simulace s řádově několika tisíci až několika milióny atomů. Kód CONQUEST, používající přístup matic hustoty s lokální bází, je velmi efektivní paralelní metodou, která škáluje lineárně s počtem atomů. Takové výpočty umožňují pochopit proces růstu nanočástic, kvantových teček, nanodrátů, krystalů atd.

Dalším způsobem modelování rozsáhlých atomistických simulací je přístup molekulové dynamiky založený na interatomových potenciálech. Ten umožnuje pro mnohé aplikace určit chování fyzikálních vlastností při dané teplotě (difuze, teplota tání, koexistence několika fází). Zde by opět byly DFT výpočty neúměrně náročné, ne-li neuskutečnitelné s ohledem na sledování jevů v časové škále nanosekund, a to i s pomocí kódu CONQUEST. V rámci výzkumu je využíváno rovněž strojového a hlubokého učení k návrhu přesných interatomových potenciálů z DFT výpočtů.

Členové výzkumného týmu vyvíjejí pro různá výzkumná témata řadu kódů psaných v jazycích Fortran, Python nebo Matlab/Octave. Níže je uveden výběr publikovaných a veřejně dostupných kódů.

• PNADIS Tento kód je automatickým analyzátorem Peierls-Nabarrových jader napětí a byl vytvořen v prostředí MATLAB. Tento kód provádí výpočet struktury jádra dislokace, Peierlsova napětí, napěťového pole kolem jádra dislokace a zpevňování krystalu pomocí tuhého roztoku na základě Peierls-Nabarrova modelu a dalších modelů od něj odvozených.
• MAELASviewer Online aplikace pro vizualizaci a analýzu magnetostrikce prostřednictvím uživatelsky přívětivého interaktivního grafického rozhraní.