PyRET: Нове відкрите програмне забезпечення для моделювання передачі енергії в матеріалах

Новий інструмент для розуміння енергопередачі

Дослідники з Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) та Чиказького університету розробили PyRET — відкрите програмне забезпечення, призначене для допомоги вченим у розумінні та прогнозуванні того, як енергія передається між крихітними дефектами в твердих матеріалах. Це має вирішальне значення, оскільки продуктивність багатьох пристроїв наступного покоління залежить від контролю потоку енергії на надзвичайно малих масштабах.

У мікроелектроніці, де пристрої постійно зменшуються, а нові матеріали впроваджуються, невеликі недосконалості в твердих тілах можуть суттєво впливати на те, як матеріал зберігає, передає або втрачає енергію. Ці процеси можуть або покращувати продуктивність пристрою, або створювати проблеми, такі як втрата енергії, втрата інформації, порушення сигналу або зниження надійності. Дефекти можуть поводитися як невеликі центри, що реагують на світло, і вчені вивчають їх для використання в оптичних пристроях пам'яті, квантових інформаційних системах та передовій мікроелектроніці.

Подолання масштабних викликів

PyRET, що розшифровується як Python package for Resonance Energy Transfer, був створений для вирішення фундаментальної проблеми в матеріалознавстві: зв'язування поведінки електронів поблизу дефекту з поведінкою світла, яке взаємодіє з матеріалом на значно більших відстанях у пристрої. Вирішення процесів, що відбуваються на таких різних масштабах, є складним завданням. Програмне забезпечення розроблено для проблеми, яка охоплює дуже різні масштаби довжини: електронна поведінка поблизу дефекту відбувається в масштабі менше нанометра, тоді як світло може поширюватися на десятки або навіть сотні нанометрів всередині матеріалу або пристрою.

Розробник програмного забезпечення, постдокторант Аргонської лабораторії Сварнабха Чаттарай, зазначив, що PyRET дозволяє розраховувати швидкості передачі енергії між дефектами з перших принципів — починаючи з атомної структури матеріалу та відомих законів фізики — замість того, щоб покладатися на підігнані експериментальні дані або грубі наближення. PyRET моделює, що відбувається, коли один дефект збуджується, вивільняє енергію у вигляді світла, а сусідній дефект поглинає цю енергію. Код поєднує інформацію про електронну структуру кожного дефекту з детальним, квантовим описом того, як вони поглинають або випромінюють світло.

Потенційні застосування та відкритий доступ

Моделювання, яке дозволяє PyRET, важливе, оскільки реальні пристрої значно більші за невеликі розміри систем, які багато методів перших принципів можуть обробляти безпосередньо. PyRET допомагає подолати цей розрив, надаючи дослідникам спосіб вивчати передачу енергії в умовах, які ближчі до того, як працюють реальні пристрої.

Використовуючи PyRET, Чаттарай та його співробітники передбачили, як фотонна порожнина — крихітна структура, що вловлює та формує світло на певних кольорах або частотах — може різко збільшити або зменшити швидкість передачі енергії між дефектами. Налаштовуючи режим порожнини, дослідники виявили, що вони можуть змінити швидкість передачі енергії майже на два порядки. Такий рівень контролю може допомогти забезпечити ключові операційні функції, такі як читання та запис, у майбутніх надщільних оптичних пристроях пам'яті. У довгостроковій перспективі PyRET може допомогти вченим краще зрозуміти небажані втрати енергії в квантових системах та підтримати розробку нових матеріалів і пристроїв, які ефективніше зберігають та контролюють інформацію.

PyRET є відкритим програмним забезпеченням, що дозволяє науковій спільноті використовувати, тестувати та покращувати його. Публічна доступність програмного забезпечення прискорює прогрес як у фундаментальних дослідженнях, так і в розробці пристроїв. Проєкт також отримав користь від ширших зусиль Центру обчислювальних матеріалів Середнього Заходу (Midwest Integrated Center for Computational Materials), що базується в Аргонській лабораторії, який розробляє відкриті обчислювальні інструменти та дані для допомоги дослідникам у прогнозуванні властивостей функціональних матеріалів. PyRET публічно доступний на GitHub, а додаткова інформація та документація доступні на вебсайті проєкту. Наукова розробка PyRET викладена у двох публікаціях у журналі Physical Review Research. Серед інших учасників цієї роботи — Супратік Гуха та Джулія Галлі з Аргонської лабораторії та Чиказького університету.

Що це означає для розробників

PyRET є відкритим програмним забезпеченням, що дозволяє розробникам та науковцям використовувати, тестувати та покращувати його для моделювання передачі енергії між дефектами в матеріалах. Це прискорює розробку нових матеріалів та пристроїв, надаючи інструмент для розрахунків з перших принципів та подолання масштабних розривів у моделюванні.

Ключові факти

• PyRET – це відкрите програмне забезпечення, розроблене Argonne та UChicago.

• Воно прогнозує передачу енергії між крихітними дефектами в твердих матеріалах.

• PyRET допомагає вченим зрозуміти, як енергія передається на атомному та пристроєвому рівнях.

• Програмне забезпечення розраховує швидкості передачі енергії з перших принципів, використовуючи атомну структуру та закони фізики.

• PyRET моделює збудження дефекту, вивільнення світла та поглинання енергії сусіднім дефектом.

Джерела

• New open-source software predicts energy transfer between tiny defects in solid materials