Coupled Cluster Berechnungen für große Simulationszellen

Tobias Schäfer setzt sich an der Technischen Universität Wien mit der computergestützten Modellierung von Quantenphänomenen in Materialien auseinander. Auf atomarer Ebene werden diese Quantenphänomene mathematisch durch die Schrödingergleichung beschrieben. Entscheidend ist dabei, die komplizierte Wechselwirkung der Elektronen zu berücksichtigen. Eine hochpräzise Beschreibung der elektronischen Korrelationen bringt jedoch selbst moderne Supercomputer an ihre Grenzen. Denn der Rechenaufwand zur Lösung der Schrödingergleichung wächst exponentiell mit der Anzahl der wechselwirkenden Elektronen. In dem Forschungsprojekt Large-Scale Coupled Cluster Calculations for Real Materials zielt Tobias Schäfer auf die Simulation quantenmechanischer Effekte in der Oberfl ächenkatalyse sowie die Berechnung von schwachen, durch Quantenfluktionenen induzierte Bindungen geschichteter zweidimensionaler Materialien. Durch die große Anzahl der beteiligten Atome und Elektronen liegen quantitativ hochpräzise Modellierungen solcher Situationen jedoch jenseits des heute Machbaren. Daher soll im ersten Schritt des Forschungsprojekts ein neuer, effizienterer Algorithmus für die etablierte Coupled-Cluster Methode zur Lösung der Schrödingergleichung großer periodischer Simulationszellen entwickelt werden. Durch die Kombination verschiedener Techniken, wie die Ausnutzung numerisch dünnbesetzter Tensoren oder die Näherung ausgewählter mathematischer Ausdrücke, können Speicheraufwand und Rechenzeit drastisch reduziert und dabei die hohe Genauigkeit der Coupled-Cluster Methode beibehalten werden. In Kooperation mit internationalen Forschungsgruppen wird der Algorithmus im zweiten Schritt auf die genannten quantenmechanischen Prozesse angewandt. Dabei sollen präzise Referenzdaten für die Formation von Sauerstoff-Störstellen in Oberflächen von Ceriumoxid sowie für Bindungsenergien zweidimensionaler Materialien berechnet werden. Während die Bindungsenergien relevant für das Design neuer funktionaler Materialien sind, bilden Sauerstofflücken die reaktiven Stellen in Prozessen heterogener Katalyse, welche von hohem Interesse für Wissenschaft und Industrie sind.