加快计算速度，揭示电子在材料中的相互作用方式

图片来源：Physical Review X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.021023

材料科学家和工程师希望确切地了解电子在新材料中如何相互作用和移动，以及用它们制成的设备将如何表现。电流在材料内容易流动吗？在某个温度下，材料会变成超导的，使电流能够在没有电源的情况动？电子自旋的量子态在新的电子和量子器件中会保留多久？

一群材料物理学家试图通过了解材料内部发生的事情来解决这些问题，计算它们的行为，直到单个电子相互作用和原子运动的水平。

现在，加州理工学院的一个团队取得了一项关键发现，有助于简化此类计算，在保持准确性的同时将其速度提高了 50 倍或更多。因此，可以计算更复杂的材料和器件中的电子相互作用，并开发以前认为不可能的新计算。

在发表在《物理评论X》杂志上的一篇新论文中，加州理工学院的应用物理学研究生罗瑶;他的导师Marco Bernardi，应用物理学、物理学和材料科学教授;同事们描述了一种新的数据驱动方法，使这些进步成为可能。他们的方法简化了密集的计算矩阵，用于表示材料中电子和原子振动（或声子，可以被认为是振动能量的单个单位）之间发生的相互作用。

Luo和Bernardi说，新方法允许他们只使用通常用于解决此类问题的1%到2%的数据，大大加快了计算速度，并在此过程中揭示了决定材料特性的最重要相互作用。

“这非常令人惊讶，”Bernardi说。“用压缩矩阵计算的电子-声子相互作用几乎与完整计算一样准确。这极大地减少了计算时间和内存使用，在大多数情况下大约减少了两个数量级。这也是奥卡姆剃刀的一个优雅例子，奥卡姆剃刀的想法是偏爱具有最少参数的简单物理模型。

为该领域寻找新的中间立场

该领域的研究人员通常遵循两种方法之一来理解这个最基本层面的材料。一种方法强调构建最小的模型，降低系统的复杂性，以便研究人员可以在纸笔计算中调整一些参数，以获得对材料的定性理解。

另一种方法只从材料的结构开始，使用所谓的“第一性原理”方法（需要大型计算机的量子力学计算）来定量精确地研究材料特性。

Bernardi的团队专注于后一组方法，使用具有数十亿个条目的超大矩阵来计算控制各种物理性质的电子相互作用。这意味着每次计算需要数千小时的计算时间。Bernardi说，这项新工作表明了这两种方法之间的一种中间立场。

“使用我们的新方法，您可以截断这些矩阵的大小，提取关键信息，并生成材料中相互作用的最小模型。

根除最重要的单一值

他的团队的方法基于将一种称为奇异值分解（SVD）的方法应用于材料中的电子-声子相互作用。SVD技术广泛应用于图像压缩和量子信息科学等领域。在这里，它允许作者在数千或数百万个电子-声子相互作用的矩阵中分离或解开电子和振动分量，并为每个基本相互作用分配一个数字。

这些实数称为奇异值，并按重要性顺序对基本交互作用进行排序。然后，程序可以消除每个矩阵中除百分之几之外的所有相互作用，只留下前导奇异值，这一过程使测定成本降低，其系数与压缩量成正比。

因此，例如，如果程序只保留奇异值的 1%，则计算速度会快 100 倍。研究人员发现，仅保留一小部分奇异值（通常为1%至2%），近似结果与完整计算几乎相同。

“通过使用SVD，你可以减少奇异值的数量，只捕捉代表给定材料中电子相互作用的矩阵的主要特征，”该论文的主要作者Luo说，他是Bernardi小组的第三年。

“这截断了原始矩阵，从而加快了算法的速度，并具有揭示材料中哪些相互作用占主导地位的额外好处。

Bernardi指出，SVD方法的后一个好处为研究人员提供了关于材料中电子相互作用的“物理直觉”，这是过去第一性原理计算中缺少的。例如，在涉及硅的计算中，很明显，占主导地位的奇异值与特定键的拉伸和挤压有关。

“这很简单，但在进行计算之前，我们不知道这是最强的相互作用，”Bernardi解释道。

在这篇论文中，研究人员表明，使用SVD方法压缩与电子-声子相互作用相关的基质为研究人员可能想要计算的材料的各种特性提供了准确的结果，包括电荷传输，自旋弛豫时间和超导体的转变温度。

Bernardi和他的团队正在将基于SVD的计算扩展到更广泛的材料相互作用，并开发以前认为不可能的高级计算。该团队还致力于将新的SVD方法添加到其开源Perturbo代码中，该软件包可帮助研究人员计算电子如何在材料中相互作用和移动。Bernardi说，这将使科学界的用户能够更快地预测与电子-声子相互作用相关的材料特性。

这篇论文的标题是“电子-声子相互作用的数据驱动压缩”。与Luo和Bernardi一起，该论文的合著者包括研究生Dhruv Desai（MS '22）;Benjamin Chang （MS '20） 和 Jinsoo Park （Ph.D. '22），现在是芝加哥大学的博士后研究员。

更多信息： Yao Luo 等人，电子-声子相互作用的数据驱动压缩，物理评论 X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.021023

期刊信息： Physical Review X

信息技术在各个领域的7大应用

在当今这个快节奏和相互联系的世界，信息技术已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。从医疗保健到金融，从制造业到教育，从零售业到运输业，信息技术的应用是广泛而多样的。

在本文中，我们将探讨信息技术在各个行业中的强大应用，重点介绍信息技术如何改变这些行业并提高效率。

信息技术在不同领域的应用

1. 信息技术在医疗保健中的应用

随着信息技术的集成，医疗保健行业取得了显著的进步和改进。电子健康记录（EHRs）彻底改变了患者信息的存储、访问和共享方式。医疗保健提供者现在可以立即访问患者记录，从而提高诊断和治疗计划的准确性和效率。

远程医疗是信息技术的另一项应用，它使患者能够远程接受医疗咨询，减少了亲自就诊的需要，并增加了获得医疗保健服务的机会。此外，信息技术在医学研究和发展中发挥了至关重要的作用。

先进的计算机模拟和数据分析工具使研究人员能够分析大量的医疗数据，从而在疾病管理和治疗方案方面取得突破。此外，可穿戴设备和移动应用程序使个人能够主动监测自己的健康状况，促进预防保健和整体健康。

2. 信息技术在金融中的应用

金融行业从信息技术的应用中受益匪浅，许多创新改变了金融交易的方式。网上银行和移动支付解决方案彻底改变了我们处理财务的方式，为传统的银行方式提供了方便和安全的选择。

金融机构现在提供各种数字服务，包括在线账户管理、转账，甚至投资建议。此外，信息技术为金融技术的出现铺平了道路，金融技术颠覆了传统的银行和金融服务。

金融科技公司利用人工智能（AI）和区块链等创新技术，提供高效、经济的解决方案。例如，人工智能聊天机器人提供个性化的客户支持，而区块链技术确保安全透明的交易。

3. 信息技术在制造业中的应用

随着信息技术的集成，制造业经历了重大变革，从而提高了效率、生产力和成本节约。自动化和机器人在生产线上的使用简化了流程，减少了对体力劳动的需求。

先进的传感器和物联网（IoT）设备可以实时监控设备和库存，优化维护计划并最大限度地减少停机时间。此外，信息技术促进了精益生产原则的实施，其中数据驱动的决策和持续改进至关重要。

制造公司现在利用复杂的软件系统进行供应链管理、库存控制和需求预测。这些工具支持准确的需求计划、有效的库存管理和及时的产品交付，从而提高客户满意度并降低成本。

4. 信息技术在教育中的应用

信息技术使教育部门发生了革命性的变化，改变了知识获取、共享和传播的方式。在线学习平台和虚拟教室打破了时间和地点的障碍，使世界各地的个人更容易接受教育。

学生现在可以访问教育资源，参与互动讨论，远程提交作业，促进终身学习和技能发展。此外，资讯科技加强了学生和教育工作者之间的合作和沟通。

在线协作工具、视频会议软件和学习管理系统实现了无缝交互和思想交流，促进了协作学习环境。此外，教育软件和应用程序提供个性化的学习体验，迎合个人需求和学习风格。

5. 信息技术在零售业的应用

随着信息技术的应用，零售业发生了重大变化，彻底改变了消费者的购物方式和企业的运营方式。电子商务平台彻底改变了零售格局，允许消费者随时随地在线浏览和购买产品。

此外，信息技术使零售商能够优化他们的运营和供应链管理。先进的库存管理系统和销售点（POS）软件确保准确跟踪库存水平和高效的订单履行。此外，客户关系管理（CRM）系统帮助零售商分析客户数据，个性化营销活动，提高客户满意度。

6. 信息技术在交通运输行业的应用

随着信息技术的应用，交通运输业取得了显著的进步和改善。智能交通系统（ITS）利用传感器、摄像头和通信网络来优化交通流量，提高道路安全，减少拥堵。

实时交通信息和导航系统使司机能够做出明智的决定，选择最有效的路线，节省时间和燃料。此外，信息技术促进了拼车和按需交通服务的出现，改变了人们的通勤方式。

移动应用程序将乘客与司机连接起来，为传统出租车服务提供了一种方便、经济的选择。此外，物流公司利用信息技术优化路线规划，跟踪货物，并确保及时交付。

7. 信息技术在娱乐业的应用

随着信息技术的应用，娱乐业经历了一场重大变革，重新定义了内容的创建、分发和消费方式。流媒体服务已经彻底改变了我们访问音乐、电影和电视节目的方式，提供了一个庞大的按需内容库。

娱乐公司现在利用大数据分析来了解消费者的偏好并定制内容推荐，从而提升整体观看体验。此外，资讯科技推动虚拟实境（VR）和扩增实境（AR）的发展，提供身临其境的互动娱乐体验。

VR头显将用户带入虚拟世界，而AR应用程序将数字内容覆盖到现实世界，创造了一个混合的环境。这些技术已经在游戏、现场活动甚至训练模拟中得到了应用。

结论

信息技术的应用广泛而多样，正在改变各行各业的产业，提高各行各业的效率。从医疗保健到金融，从制造业到教育，从零售业到运输业，信息技术彻底改变了我们生活、工作和互动的方式。

随着技术的不断发展，我们可以期待进一步的进步和创新，塑造行业的未来，并为增长和发展提供新的机会。

本文转载自 信息技术在各个领域的7大应用- 雪兽软件

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