The Supercomputer MACH-2: Use Cases

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Use Case: Ab Initio Study of the Electronic, Vibrational, and Mechanical Properties of the Magnesium Diboride Monolayer

Wissenschaftliche Gruppe

Zentrum für Oberflächen und Nanoanalytik (ZONA), JKU Linz, Univ. Prof. Dr. Kurt Hingerl (kurt.hingerl@jku.at)

Nutzung der MACH-2

Vom Zentrum für Oberflächen und Nanoanalytik wurden die JKU Computing Ressourcen während der MACH-2 Projektlaufzeit in drei wissenschaftlichen Projekten genutzt:

In der (sub auspiciis) Dissertation von Klaus Dieter Bauer, der mittels Dichtefunktional-theorie nichtlineare optische Prozesse mit dem Vienna ab-initio simulation package (VASP) modellierte; seine Dissertation wurde aus einem EU Projekt und einem Christian Doppler Labor finanziert.
Während der Masterarbeit und der nachfolgenden FFG Projekttätigkeit von Jean Pierre Perin, der mittels „rigorous coupled wave analysis“ (RCWA), die Beugungseffizienzen von Nanostrukturen für unterschiedliche Wellenlängen berechnete. (Bloch Floquet- Code) damit gelang es bspw. das „Blau“ von Schmetterlingsflügeln farbecht wiederzugeben.
In einer internationalen Kooperation mit der Universität Belgrad, die seit 2006 besteht, und während der sowohl die Erstautorin (Dr. J. Pesic) mehrere Male am ZONA arbeitete (in Summe etwa ein Jahr, im Projektzeitraum immer über den ÖAD finanziert). Ebenso waren andere Mitglieder des Belgrader Teams an der JKU, speziell auch Prof. Rados Gajic, der vor kurzem an der Univ. Belgrad emeritierte. Diese Arbeit basierte auf dem Dichtefunktionaltheorie Code „Quantum Espresso“, https://www.quantum-espresso.org, und auch auf dem Molekulardynamik Code „Siesta“, https://departments.icmab.es/leem/siest.

Beschreibung der Anwendung

Als repräsentativer „Use Case“, der die Relevanz und Vielfachheit von modernen Computing Ressourcen unterstreicht, mögen die in folgender Publikation erzielten Resultate dienen:

„Ab Initio Study of the Electronic, Vibrational, and Mechanical Properties of the Magnesium Diboride Monolayer“, Jelena Pešic et al.; Condens. Matter 4, 37 (2019); (https://doi.org/10.3390/condmat4020037)
Figure 1. Crystal structure of the MgB2 monolayer (a) and bulk MgB2 (b), with a hexagonal unit cell. Green (orange) spheres represent Boron (Magnesium) atoms.

Der physikalische Hintergrund für MgB2 als potentieller Supraleiter war der ausschlaggebende Startpunkt. Im Supraleiter koppeln elektronische Zustände an die Phononen des Gitters, und für eine möglichst korrekte- aber noch immer näherungsweise- Beschreibung braucht es die Kenntnis der elektronischen Zustände (Fig.3) , der phononischen Zustände (Fig.4), und des relevanten Elektronenspins. Aus der phononischen Bandstruktur kann man die elastischen Eigenschaften für dieses geschichtete Material (siehe Fig. 1) ausrechnen. Chapter 2 im paper diskutiert das Aufstellen der Einheitszelle, das Finden des Energieminimums durch Variation der Atompositionen. Sehr rechenintensiv, aber in der Arbeit nicht erwähnt, sind die Konvergenzstudien für obige Resultate. Mittels Dichtefunktionaltheorie wurde die elektronische Struktur sowohl für das Volumen von MgB2 als auch für zweidimensionale Schichten aus MgB2 vorhergesagt. Durch Anwendung von Molekulardynamik konnte auch für die zweidimensionalen Schichten die Stabilität, und deren elastische Eigenschaften (Fig. 2) vorhergesagt werden. Weitere wesentliche Erkenntnisse sind der Rückgang der elektronischen Zustandsdichte an der Bandlücke in den zweidimensionalen Schichten, als auch die erstmalige Vorhersage der Ramanmoden der 3D und 2D MgB2 Strukturen. Diese Arbeit zeigt daher, dass MgB2 als potentieller Supraleiter sowohl in dünnen Schichten als auch im Volumen hoch relevant und vielversprechend ist. Mittels eines solchen Beispiels wird deutlich unterstrichen, dass in materialwissenschaftliche Studien nicht nur experimentelle Laborarbeit eingeht, sondern dass theoretische, quantenmechanische Methoden, die wegen des Vielelektronenproblems sehr hohen numerischen Rechenaufwand erfordern, wesentlich zur Entwicklung neuer Materialien beitragen, und die Vorhersage von deren Eigenschaften effizient beitragen können.

JKU Scientific Computing Administration