Quantensimulationen für die Materialforschung

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. Das 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.

Ein maßgeblicher Grund dafür war die Tatsache, dass kein einzelner Forscher mit sämtlichen dieser Software­pakete aus­reichend vertraut ist. Wissen­schaftler des Forschungs­zentrums Jülich haben sich daher mit mehr als sechzig Kollegen aus wissen­schaftlichen Einrich­tungen auf der ganzen Welt zusammen­getan, um ihre Kenntnisse und Erfahrungen zu bündeln. Die Experten des FZ Jülich entwickeln seit vielen Jahren den FLEUR-Code, ein hoch­komplexes und kontinu­ierlich aktuali­siertes Software­paket für ab-initio-Rechnungen. Dabei handelt es sich um 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. „All electron“-Methoden, zu denen auch das FLEUR-Software­paket 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 Website 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 FZ 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.

FZJ / RK