Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulationen für die Materialforschung

29.03.2016

Internationale Experten-Kollaboration testet die Verlässlichkeit von Quantenphysik-Software

Inwieweit stimmen Ergebnisse von Berechnungen überein, wenn sie von unterschiedlichen Forschern mit unterschiedlicher Software durchgeführt wurden? Dies haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit Kollegen aus über 30 Universitäten und Instituten für Quantensimulationen von Materialeigenschaften untersucht.

Die Experten konnten zeigen: neue Programmgenerationen lieferten gleichwertig präzise Ergebnisse – dies war für ältere Softwareversionen nicht immer der Fall. Ihre Studie veröffentlichten die Forscher am Freitag in der Fachzeitschrift Science.

Es ist ein Grundstein der Wissenschaft: unabhängige aber identische Experimente müssen identische Ergebnisse erzeugen. Experimentelle Resultate sind nur dann verlässlich, wenn sie reproduzierbar sind. Neue Studien weisen allerdings darauf hin, dass eine solche Reproduzierbarkeit nicht immer gegeben ist.

In Forschungsbereichen von Psychologie bis hin zu Photovoltaik wurden Fälle identifiziert, in denen die Wiederholung von bereits durchgeführten Experimenten zu stark unterschiedlichen Ergebnissen führte. Die Gründe dafür sind vielfältig, und reichen von technischen Faktoren bis hin zu methodischen Fehlern.

Auch der Einsatz von Computerprogrammen zur Auswertung und Analyse kann bei gleichen Inputdaten zu abweichenden Ergebnissen führen. Denn die Art und Weise, wie theoretische Modelle umgesetzt werden, kann die Ergebnisse einer Simulation beeinflussen. Dies ist Grund zur Besorgnis in allen Forschungsbereichen für die Computersimulationen unerlässlich sind.

So stehen zum Beispiel für die Erforschung und Entwicklung von Materialien mehrere unabhängig entwickelte Softwarepakete zur Verfügung, die alle auf Quantenphysik basieren. Hängen vorhergesagte Materialeigenschaften von der verwendeten Software ab? Und wenn ja, in welchem Umfang? Bisher wurde die Reproduzierbarkeit dieser Art von Quantensimulationen nicht systematisch untersucht.

Software-Datenbank für Quantensimulationen

Ein maßgeblicher Grund dafür war die Tatsache, dass kein einzelner Forscher mit sämtlichen dieser Softwarepakete ausreichend vertraut ist. Wissenschaftler aus dem Bereich Quantentheorie der Materialien des Peter Grünberg Instituts (PGI-1) und des Institute for Advanced Simulation (IAS-1) haben sich daher mit mehr als 60 Kollegen aus wissenschaftlichen Einrichtungen auf der ganzen Welt zusammengetan, um ihre Kenntnisse und Erfahrungen zu bündeln.

Die Experten des PGI-1/IAS-1 arbeiten mit dem FLEUR-Code, einem Softwarepaket, das von Jülicher Wissenschaftlern seit vielen Jahren entwickelt wird. Die hochkomplexe und kontinuierlich aktualisierte Software wird für sogenannte ab-initio Rechnungen verwendet, ein Verfahren der Elektronentheorie, bei der keine an experimentelle Daten angepassten Parameter verwendet werden. Der FLEUR-Code wird von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt benutzt, in Jülich wird er unter anderem für die Erforschung von Skyrmionen und die Entwicklung von topologischen Isolatoren eingesetzt.

Die Forscher bauten eine umfangreiche Software-Datenbank auf und untersuchten vierzig verschiedene Methoden zur Beschreibung von Druckeinwirkung in Kristallen, für 71 verschiedene chemische Elemente. Sogenannte „all electron“-Methoden, zu denen auch das FLEUR-Softwarepacket zählt, gelten als Goldstandard der Elektronenstrukturmethoden und dienten dazu die neuen Entwicklungen auf dem Gebiet dieser quantenmechanischen Berechnungen zu kalibrieren.

Während einige der älteren Programme Ergebnisse lieferten, die deutlich von diesem Standard abwichen, schnitten die neueren Softwarepakete erheblich besser ab: Das Expertenteam konnte zeigen, dass die durch sie errechneten Vorhersagen in den getesteten Fällen gleichwertig zu den „all electron“-Methoden sind. Die Wissenschaftler definierten zudem ein Qualitätskriterium, mithilfe dessen die Zuverlässigkeit und Genauigkeit zukünftiger Software-Entwicklungen überprüft und mit den bereits in der Datenbank erfassten verglichen werden kann. Neue Testdaten werden darüber hinaus kontinuierlich in die Datenbank – die sich auf einer öffentlich zugänglichen Webseite befindet – aufgenommen.

Die Studie ist ein Element eines breit gefächerten Netzwerks von Projekten im Rahmen einer europäischen e-Infrastruktur, die alle relevanten Ressourcen und Werkzeuge für die Materialwissenschaft integrieren soll. Zu diesen gehört auch MaX – Materials Design at the Exascale, ein Projekt an dem das Forschungszentrum Jülich ebenfalls beteiligt ist. MaX soll eine öffentlich zugängliche Infrastruktur für quantenphysikalische Simulationen schaffen: für komplexe Analysen und Exascale-Simulationen zur Erforschung der Eigenschaften bestehender und künftiger Werkstoffe.

Originalveröffentlichung:
Reproducibility in density functional theory calculations and solids
Science (published 25 March 2016, Vol. 351, Issue 6280, DOI: 10.1126/science.aad3000)
http://science.sciencemag.org/content/351/6280/aad3000

Ansprechpartner:

Prof. Stefan Blügel
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1),
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-4249
Email: s.bluegel@fz-juelich.de

Dr. Gustav Bihlmayer
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-4677
Email: g.bihlmayer@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-9054
Email: r.panknin@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://fz-juelich.de/pgi/DE/Home/home_node.html - Peter Grünberg Institut
http://www.fz-juelich.de/portal/DE/UeberUns/Organisation/Institute/InstituteAdva... - Institute for Advanced Simulation
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-1/DE/Home/home_node.html - Bereich Quantentheorie der Materialien (PGI-1 / IAS-1)
http://molmod.ugent.be/deltacodesdft - Datenbank der DFT-Software
http://www.flapw.de - Der FLEUR-Code
http://www.max-center.eu/ - Das MaX-Projekt

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie