Um novo software desenvolvido na Caltech torna mais fa¡cil estudar o comportamento dos elanãtrons em materiais - atémesmo materiais que foram previstos, mas ainda não existem. O software, batizado de Perturbo, estãoganhando força entre os pesquisadores.

Perturbo calcula em umnívelqua¢ntico como os elanãtrons interagem e se movem dentro de um material, fornecendo detalhes microsca³picos aºteis sobre a chamada dina¢mica eletra´nica. Esse tipo de simulação permite que os pesquisadores prevejam quanto bem algo como um metal ou semicondutor conduzira¡ eletricidade a uma determinada temperatura, ou como os elanãtrons em um material responderão a  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 esfora§o de equipe liderado por Bernardi e Jin-Jian Zhou, um ex-bolsista de pa³s-doutorado que agora éprofessor assistente no Instituto de Tecnologia de Pequim.

Perturbo pode modelar como os elanãtrons que se movem atravanãs de um material interagem com os a¡tomos que constituem o material. Conforme os elanãtrons fluem, eles colidem com esses a¡tomos, que estãosempre vibrando. A maneira como essas colisaµes ocorrem e a frequência com que ocorrem determinam as propriedades elanãtricas de um material. As mesmas interações também governam o comportamento de materiais excitados com luz, por exemplo, em uma canãlula solar ou em experimentos de espectroscopia ultrarrápida. O último investiga o movimento de elanãtrons e a¡tomos em escalas de tempo muito curtas (atéum milionanãsimo bilionanãsimo de segundo, um femtossegundo), e Perturbo fornece novas ferramentas computacionais para interpretar esses experimentos avana§ados.

"Normalmente, o principal mecanismo que limita o transporte de elanãtrons éo movimento ata´mico, ou os chamados fa´nons", diz Bernardi. "Ser capaz de calcular essas interações elanãtron-fa´non torna esses estudos de transporte e dina¢mica ultrarrápida possa­veis, precisos e eficientes. Alguanãm poderia investigar a física microsca³pica de um grande número de compostos com este manãtodo e usar essa informação para criar materiais melhores."

Bernardi diz que Perturbo representa um grande avanço no campo, que no passado dependia principalmente de modelos simples baseados em experimentos do mundo real.

"Na década de 1980, artigos que estudavam transporte elanãtrico mesmo em semicondutores simples continham tabelas com dezenas de parametros para descrever as interações de elanãtrons. O campo desde então não evoluiu muito", diz ele.

A primeira versão do Perturbo foi lana§ada hápouco 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 do Perturbo, incluindo alguns de grupos de pesquisa do Caltech, diz Bernardi.

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

“Na próxima década, continuaremos a expandir as capacidades de nosso ca³digo e torna¡-lo o ponto de partida para os ca¡lculos ba¡sicos da dina¢mica do elanãtron”, diz Bernardi. "Somos extremamente ambiciosos com o que temos em mente para este ca³digo. Atualmente, ele pode investigar processos de transporte e dina¢mica ultrarrápida, mas no futuro as capacidades do ca³digo e os tipos de problemas que podemos resolver continuara£o a crescer."

O artigo que descreve Perturbo, intitulado " Perturbo: Um pacote de software para interações elanãtron-fa´non ab initio, transporte de carga e dina¢mica ultrarrápida ", aparece em Computer Physics Communications . Jin-Jian Zhou éo primeiro autor. Os coautores são Jinsoo Park (MS '20), estudante de pós-graduação em física aplicada; ex-aluno de graduação e atual bolsista de pa³s-doutorado I-Te Lu (PhD '20); Ivan Maliyov, pesquisador de pa³s-doutorado em física aplicada e ciência dos materiais que trabalha no hub Liquid Sunlight Alliance (LiSA) em Caltech (LiSA éo sucessor do Joint Center for Artificial Photosynthesis); Xiao Tong, estudante de pós-graduação em ciência dos materiais; e Marco Bernardi.

O financiamento da pesquisa foi fornecido pela National Science Foundation. Jin-Jian Zhou foi parcialmente apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA por meio do Centro Conjunto de Fotossa­ntese Artificial (JCAP) em Caltech.