Newsletter abonnieren

Österreich.
Wo Forschung groß geschrieben wird.

Zuverlässigkeit von Quanten-Simulationsprogrammen bestätigt

Sie ist ein Grundpfeiler der Wissenschaft: die Reproduzierbarkeit. So wird etwa eine experimentelle Messung erst dann als vertrauenswürdig betrachtet, wenn sie durch verschiedene, voneinander unabhängige Experimente bestätigt werden kann. Das gleiche Prinzip gilt natürlich auch für Simulationen. Sie können etwa unzulässige Näherungen oder gar Fehler enthalten, die zu falschen Ergebnissen führen.

Methode beruht auf Dichtefunktionaltheorie

In einer internationalen Kooperation haben sich nun Wissenschafter von über 30 Universitäten und Instituten - darunter die Universität Wien und die Technische Universität Wien - zusammengetan, um eine der gängigsten Simulationsmethoden der Materialwissenschaften auf etwaige Schwachstellen abzuklopfen. Die Methode beruht auf der sogenannten Dichtefunktionaltheorie und ermöglicht es, die Struktur von Festkörpern auf atomarem Niveau zu berechnen. Entwickelt wurde dieses Verfahren vom aus Österreich stammenden US-Physiker Walter Kohn, der dafür mit dem Chemienobelpreis 1998 ausgezeichnet wurde.

Die grundlegende Idee der Dichtefunktionaltheorie ist es, ein System aus vielen Teilchen zu vereinfachen, indem man die Teilchen und ihre Wechselwirkungen nicht alle einzeln betrachtet. Stattdessen geht sie von der räumlichen Verteilung ihrer elektrischen Ladungen aus. Durch diese Vereinfachung, die ihrem Wesen nach absolut exakt ist, wird die Simulation komplexer Systeme erst möglich.

Das hat in den letzten fünf Dekaden seit Veröffentlichung der Theorie zu einer rasanten Weiterentwicklung entsprechender Simulationsprogramme geführt. Mittlerweile erscheinen jährlich mehr als 15.000 wissenschaftliche Arbeiten, die die Methode nutzen. Mit dem Vienna ab Initio Simulation Package (VASP) und WIEN2k sind auch zwei österreichische Programme unter den weltweiten Spitzenreitern.

Viele mögliche Fehlerquellen

Aufgrund der Komplexität der Programme beinhalten sie jedoch auch eine Vielzahl möglicher Fehlerquellen. "Das Hauptproblem sind die Datensätze, die jeder Code vorab erstellt, um die chemischen Elemente zu beschreiben, aus denen sich der Festkörper zusammensetzt. Hier gab es die größten Abweichungen", erklärt Georg Kresse, Leiter des Instituts für Computergestützte Materialphysik der Universität Wien und Mitautor der aktuellen Studie gegenüber der APA.

Um die 40 verschiedenen Simulationsprogramme miteinander vergleichen zu können, ließ man sie alle die gleichen Festkörper simulieren. "Letztendlich wichen die ermittelten Kennzahlen nurmehr um etwa ein Prozent voneinander ab. Das entspricht in etwa der Genauigkeit, die auch experimentell erreicht wird", so Kresse, an dessen Institut VASP auch entwickelt wurde.

Die Hoffnung der Forscher ist es nun, mit ihrer Arbeit zu höheren Standards in der Simulation von Materialeigenschaften beitragen zu können und die Entwicklung verbesserter Simulationsprogramme zu erleichtern.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/science.aad3000

Auf Facebook teilen Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Twitter teilen

Testimonials

Neues vom Standort Österreich