新模拟揭示了称为极化子的奇异电子形式的秘密

科学家们对开发用于有机发光二极管 (OLED) 电视、触摸屏等的尖端材料的探索已经翻开了新的篇章。这一进步涉及 极化子，这是一种准粒子，由一个电子及其周围 晶格中扭曲的原子组成。

德克萨斯高级计算中心 (TACC) Frontera 超级计算机上的模拟帮助科学家们首次绘制了 二维 材料中极化子特征的条件图，二维材料是有史以来最薄的材料。

“我们绘制了一张地图，以指示应该在哪些材料中找到极化子，在什么条件下以及它们的特性特征，” 物理学教授和 WA 'Tex' Moncrief, Jr. 量子材料工程主席Feliciano Giustino说。 Oden 计算工程与科学研究所 (Oden Institute)和德克萨斯大学奥斯汀分校自然科学学院物理系。

了解极化子有助于提高设备的性能和效率，例如手机和平板电脑的触摸屏，以及OLED电视的有机发光二极管 ，这些设备依赖于通过极化子传输电荷。

更重要的是， 通过阳光分解水产生 氢燃料被认为是能源科学的“圣杯”，这一过程可以通过二氧化钛等关键材料中极化子的电荷传输来实现。

Giustino 是2023 年 2 月在Nature Physics上发表的工作的主要作者 。 在其中，他与Oden 研究所和澳门大学的研究合著者 Weng Hong Sio使用量子力学理论和计算确定了二维材料中极化子的基本特性。

直到现在，人们对二维材料中的极化子知之甚少。在过去的 100 年里，极化子在理论上得到了很好的研究，并通过实验表征了三维散装固体。

Giustino 和 Sio 专注于 石墨烯上六方氮化硼 (h-BN) 的原子级薄晶体单层 作为案例研究，其中计算并比较了块状晶体和单层中的极化子。接下来，他们在二维材料中创建了极化子的通用模型。

“我们的目标是了解在哪里可以找到二维极化子，以及它们的属性是什么。为此，我们使用了一种我们开发的新计算方法，”Giustino 说。

Oden Institute 的 Giustino 发明了 EPW，这是一种开源 Fortran 和消息传递接口 (MPI) 代码，使用 密度函数微扰理论 和 最大局部化 Wannier 函数计算与电子-声子相互作用相关的属性。该代码目前由 Oden Institute 领导的国际合作开发。

“我们使用超级计算机执行计算，主要是 DOE(Argonne Leadership Computing Facility 和国家能源研究科学计算)以及 TACC 的 Frontera 的计算。EPW 是我们在 Frontera 上进行了大量优化的东西，”Giustino 说。

在 TACC 的 Texascale Days期间，Giustino 获得了使用完整机器的权限，允许他的团队在 Frontera 的所有 448,000 个 CPU 内核上执行完整的系统运行。

“多亏了能源部的支持，我们在过去 4 年里一直在为百亿亿次级计算重构 EPW，”Giustino 说。“TACC 的 Frontera 超级计算机帮助我们完成了这项工作。我们设法重构了 EPW 代码，实现了 92% 的理想扩展。在 Texascale Days 内访问整个机器的能力对于将我们带到现在的状态至关重要代码。”

TACC 的 Frontera 超级计算机由 国家科学基金会 (NSF) 资助，是最强大的学术系统 Frontera 的 特征科学应用 (CSA) 计划是 NSF 领导级计算设施 (LCCF ) 规划和早期科学计划的一部分)，这将是 Frontera 的 10 倍。

“TACC 为我们提供了在全尺寸系统上开发代码的机会，这在其他任何地方都是不可能的，”Giustino 说。

他的 EPW 代码是 TACC 选择为 LCCF 进行基准测试和优化的 21 个 CSA 项目之一——这些最新的极化子模拟与 Giustino 的 CSA 项目相关联。

更重要的是，Giustino 继续与 TACC 密切合作，最近拨款开发软件来设计新材料，该拨款由 NSF 高级网络基础设施办公室 通过持续科学创新网络基础设施 (CSSI) 计划授予。这笔赠款将资助设计新材料的软件开发。

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