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 Die steifsten Leichtbaumaterialien überhaupt
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Künstliches Perlmutt nach Mass
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wie Bakterien ein Antibiotikum ausschalten

Forscher des HZI und HIPS haben entdeckt, dass resistente Bakterien den Wirkstoff Albicidin mithilfe eines massenhaft gebildeten Proteins einfangen und inaktivieren

Gegen die immer häufiger auftauchenden multiresistenten Keime verlieren gängige Antibiotika zunehmend ihre Wirkung. Viele Bakterien haben natürlicherweise...

Im Focus: How bacteria turn off an antibiotic

Researchers from the HZI and the HIPS discovered that resistant bacteria scavenge and inactivate the agent albicidin using a protein, which they produce in large amounts

Many common antibiotics are increasingly losing their effectiveness against multi-resistant pathogens, which are becoming ever more prevalent. Bacteria use...

Im Focus: Wenn sich Atome zu nahe kommen

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons.

Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden,...

Im Focus: Datenspeicherung mit einzelnen Molekülen

Forschende der Universität Basel berichten von einer neuen Methode, bei der sich der Aggregatzustand weniger Atome oder Moleküle innerhalb eines Netzwerks gezielt steuern lässt. Sie basiert auf der spontanen Selbstorganisation von Molekülen zu ausgedehnten Netzwerken mit Poren von etwa einem Nanometer Grösse. Im Wissenschaftsmagazin «small» berichten die Physikerinnen und Physiker von den Untersuchungen, die für die Entwicklung neuer Speichermedien von besonderer Bedeutung sein können.

Weltweit laufen Bestrebungen, Datenspeicher immer weiter zu verkleinern, um so auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Speicherkapazität zu erreichen. Bei fast...

Im Focus: Data storage using individual molecules

Researchers from the University of Basel have reported a new method that allows the physical state of just a few atoms or molecules within a network to be controlled. It is based on the spontaneous self-organization of molecules into extensive networks with pores about one nanometer in size. In the journal ‘small’, the physicists reported on their investigations, which could be of particular importance for the development of new storage devices.

Around the world, researchers are attempting to shrink data storage devices to achieve as large a storage capacity in as small a space as possible. In almost...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungen

Pro und Contra in der urologischen Onkologie

14.12.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ulmer Forscher beobachten Genomaktivierung "live" im Fischembryo

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Notsignal im Zellkern – neuartiger Mechanismus der Zellzykluskontrolle

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Methode für sichere Brücken

18.12.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics