PyRET: Нове відкрите ПЗ для прогнозування передачі енергії між дефектами в матеріалах

Вступ

Дослідники з Аргоннської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) та Чиказького університету створили нове відкрите програмне забезпечення під назвою PyRET. Цей інструмент призначений для прогнозування того, як енергія передається між крихітними дефектами у твердих матеріалах. PyRET, що розшифровується як Python package for Resonance Energy Transfer, допомагає вченим краще зрозуміти та передбачити ці складні процеси.

Подолання масштабних викликів

Програма PyRET вирішує фундаментальну проблему в матеріалознавстві: вона поєднує поведінку електронів поблизу дефекту з поведінкою світла, яке взаємодіє з матеріалом на значно більших відстанях у пристрої. За словами Сварнабхи Чаттараджа, постдокторанта Аргоннської лабораторії, PyRET об'єднує атомно-масштабну поведінку дефектів та далекосяжний рух світла, що є ключовим для розробки реальних пристроїв.

PyRET моделює процеси, що відбуваються, коли один дефект збуджується, вивільняє енергію у вигляді світла, а сусідній дефект поглинає цю енергію. Він поєднує інформацію про електронну структуру кожного дефекту з детальним квантовим описом того, як вони поглинають або випромінюють світло. Це дозволяє досліджувати взаємодії, які важко зафіксувати лише існуючими методами. Програмне забезпечення розроблено для проблеми, що охоплює дуже різні масштаби довжини: електронна поведінка поблизу дефекту відбувається на масштабі менше нанометра, тоді як світло може поширюватися на десятки або навіть сотні нанометрів всередині матеріалу чи пристрою.

Застосування та потенціал

Цей інструмент може допомогти дослідникам у розробці щільнішої оптичної пам'яті, вивченні втрат інформації в квантових системах та кращому розумінні поведінки матеріалів. Він також сприяє розробці матеріалів нового покоління для мікроелектроніки. PyRET дозволяє розраховувати швидкості передачі енергії між дефектами з перших принципів, виходячи з атомної структури матеріалу та відомих законів фізики, без покладання на підігнані експериментальні дані або грубі наближення.

Використовуючи PyRET, дослідники передбачили, як фотонна порожнина може різко збільшити або зменшити швидкість передачі енергії між дефектами. Налаштовуючи режим порожнини, вони змогли змінити швидкість передачі енергії майже на два порядки. Такий рівень контролю може забезпечити ключові операційні функції, такі як читання та запис, у майбутніх ультращільних пристроях оптичної 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.

Відкритий доступ

PyRET є відкритим програмним забезпеченням, що дозволяє науковій спільноті використовувати, тестувати та вдосконалювати його. Доступність програмного забезпечення для громадськості прискорює прогрес як у фундаментальних дослідженнях, так і в розробці пристроїв. Проєкт також отримав користь від ширших зусиль Центру обчислювальних матеріалів Середнього Заходу (MICCM), який розробляє відкриті обчислювальні інструменти та дані. PyRET публічно доступний на GitHub, а додаткова інформація та документація — на вебсайті проєкту.