Zrozumieć nieporządek

Prof. Dominika Zgid zrealizuje swój projekt na Wydziale Fizyki UW. Badaczka zamierza opracować modele nieuporządkowania w materiałach krystalicznych, wykorzystując systematycznie ulepszane metody opisujące korelację elektronową.

Czym jest nieuporządkowanie w materiałach krystalicznych i jakie przyjmuje formy? Dlaczego badanie nieporządku jest trudne i dlaczego istniejące metody obliczeniowe nie zawsze radzą sobie z jego opisem? Jakie wyzwania stawia przed badaczami modelowanie dynamicznych procesów w środowiskach nieuporządkowanych? Na te i inne pytania odpowie zespół prof. Dominiki Zgid, która na realizację swojego projektu otrzymała przyznany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) prestiżowy grant Advanced.

Projekt Modelowanie nieuporządkowania w materiałach krystalicznych dzięki systematycznie ulepszanych metod opisujących korelację elektronową (Correlated_Disorder) potrwa pięć lat i będzie realizowany na Wydziale Fizyki UW.

Efektem projektu będzie zestaw narzędzi obliczeniowych umożliwiających modelowanie nieuporządkowania w realistycznych układach – od słabo po silnie skorelowane. Narzędzia pozwolą na wykorzystanie obliczeń wysokiej wydajności (high-performance computing) do ograniczenia liczby kosztownych eksperymentów laboratoryjnych i pomogą w racjonalnym projektowaniu nowych, technologicznie istotnych materiałów.

Na realizację projektu przyznano niemal 3,5 mln euro dofinansowania.

Porządkowanie nieuporządkowanego

Nieuporządkowanie w materiałach może przyjmować różne formy – od przypadkowego rozmieszczenia atomów, przez fluktuacje strukturalne, aż po dynamiczne zmiany konfiguracyjne. Zjawiska te znacząco wpływają na adekwatności fizyczne i chemiczne materiałów, ale ich opis teoretyczny stanowi ogromne wyzwanie. Powszechnie używane metody obliczeniowe, takie jak dominująca w tej chwili teoria funkcjonału gęstości (DFT), nie radzą sobie z pełnym ujęciem efektów wynikających z nieuporządkowania i silnych korelacji elektronowych.

Zespół prof. Zgid zamierza opracować nowatorski zestaw narzędzi obliczeniowych, które pozwolą na realistyczne modelowanie układów – od słabo do silnie skorelowanych – z uwzględnieniem nieuporządkowania. Metody te będą bazować na funkcjach Greena w skończonej temperaturze, oferując alternatywę dla podejścia DFT.

– Wykorzystując najnowsze przełomowe techniki dla układów wielociałowych, metody chemii kwantowej , uczenie maszynowe i zaawansowane modele matematyczne, proponujemy rozwinąć kompleksowy zestaw narzędzi do przewidywania własności widmowych i termodynamicznych nieuporządkowanych materiałów – mówi prof. Dominika Zgid.

Projekt zakłada także integrację nowo rozwiniętych metod z dynamiką molekularną i uczeniem maszynowym, co umożliwi badania procesów dynamicznych w środowiskach nieuporządkowanych, np. w stopach o wysokiej entropii, nadprzewodnikach czy układach katalitycznych. Co więcej, zespół opracuje narzędzia do wyprowadzania funkcjonałów DFT na podstawie funkcji Greena, co pogłębi fundamentalne zrozumienie tej powszechnie stosowanej metody.

Zastosowania i znaczenie

Dzięki wykorzystaniu obliczeń wysokiej wydajności (HPC) nowe metody pozwolą ograniczyć kosztowne eksperymenty laboratoryjne i usprawnią projektowanie technologicznie istotnych przyszłych materiałów oraz ulepsza nasze zrozumienie już istniejących materiałów.

Projekt prof. Dominiki Zgid to krok w stronę nowej generacji narzędzi chemii kwantowej i fizyki materii skondensowanej, wspierający interdyscyplinarną współpracę oraz rozwój nauki o materiałach.