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
菱形堆垛三层石墨烯中发现电子和声子的强相互作用
【最新发现与创新】
记者14日获悉，来自中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员，通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构发现，在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和红外声子之间具有强相互作用，这有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。相关研究成果在线发表于《自然·通讯》杂志。
近年来，三层石墨烯引发了研究人员的广泛关注。通常，三层石墨烯可呈现出两种不同的堆叠几何构型，分别是菱形堆垛和Bernal堆垛。“这两种堆垛的三层石墨烯具有完全不一样的对称性和电子特性，比如中心对称的菱形堆垛的三层石墨烯具有位移电场可调的能隙，并可展现出一系列Bernal堆垛三层石墨烯不具有的关联物理效应：莫特绝缘态、超导和铁磁等。”论文共同通讯作者、中国科学院物理研究所研究员张广宇说。
如何理解三层石墨烯菱形堆垛中的这些独特关联物理效应，已成为当前重要研究前沿之一。此次，科研人员通过栅电压可调的拉曼光谱和激发频率依赖的近场红外光谱，发现了菱形堆垛三层石墨烯中电子和红外声子之间具有强相互作用。“我们提出了一种简单、无损、高空间分辨的近场光学成像技术，不仅可以鉴别石墨烯的堆垛次序，还可以探索电子—声子强相互作用，这为将来多层石墨烯以及转角石墨烯的研究提供坚实基础。”论文共同通讯作者、国家纳米科学中心研究员戴庆说。
据悉，这项研究为理解菱形堆垛的三层石墨烯中的超导和铁磁等物理效应提供了新的视角。同时，它也为新一代光电调制器和光电芯片的设计提供了相关材料研究的基础。（记者陆成宽）
来源： 科技日报
相关问答
【核外 电子的 运动特征(高中化学必修2)我想问下核外 电子的 速...[最佳回答]核外电子的运动速度接近光速."轨道"可以用四个量子数来表征,分别是主量子数,决定了电子的能级,角量子数,决定了电子云的形状磁量子数决定了在Z方向...
英语翻译随着网络技术的发展, 电子商务 蓬勃发展起来, 电子商务 ...[最佳回答]Alongwiththenetworktechnologydevelopment,theelectroniccommercevigorousdevelopment,theelec...
email的功能和特点有哪些?电子邮件的特点和优点如下1.价格通过Internet发送电子邮件的费用比传统通信方式便宜得多,距离越远越能显示这个特点。通常发一封电子邮件只要几毛钱就行了。...
简述 电子 商务的技术特征包括哪些方面?电子商务的技术特征包括如下几个方面:更广阔的环境人们不受时间的限制,不受空间的限制,不受传统购物的诸多限制,可以随时随地在网上交易。通过跨越时间、空间...
电子 计算机的主要特点是什么?特点:1、运算速度快:计算机内部电路组成,可以高速准确地完成各种算术运算。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次,微机也可达每秒亿次以上,使大量复...
大学专业是 电子 商务，这个到底是做什么的呢，前景怎么样?电子商务专业是一个新型的商科专业,大家可以先看一下百科上对电子商务的定义。电子商务专业是融计算机科学、市场营销、国际贸易、管理、法律和现代物流的基本...
什么是 电子 自旋?3.能层、能基、原子轨道三者的关系4.有哪...[最佳回答]1、电子运动的特点:高速,无轨迹.宏观规律(统计规律)是在原子轨道上出现的几率比较多,其他位置很少.2、电子在原子核外是分层排布的,称之为电子层.在...
什么是移动 电子 商务，有什么特点?移动电子商务是指通过手机、传呼机、掌上电脑、笔记本电脑等移动通讯设备与无线上网技术结合所构成的一个电子商务体系,它由电子商务的概念衍生出来。它将因特...
...射和透射电镜中的 电子 衍射在材料结构分析中的异同点._作业帮[最佳回答]简单的说是这样:原理一样,都是衍射;都具有倒易属性,可以用尔瓦尔德作图法形象的解释衍射花样的形成原理;衍射路径不同,所以衍射花样不同;电镜中衍射...
【 电子商务 和传统商务相比有哪些特点】作业帮[最佳回答]电子商务极大提高了传统商务活动的效益和效率.Internet上的电子商务与传统商务体系相比有其自身的独特优点,这些优点包括:1.全新时空优势传统的...
