Neue Wege in der ab initio Modellierung von Materialeigenschaften

Fortschritt in vielen Hochtechnologiebereichen hängt in zunehmendem Maße von der Fähigkeit ab, die Struktur und Zusammensetzung von Materialien, Bauteilen und biologischen Systemen auf atomarer Skala zu kontrollieren. Viele atomare Prozesse und Vorgänge sind in Laboratoriums-Experimenten nicht mehr beobachtbar. Daraus folgt unmittelbar die Bedeutung atomistischer Computersimulationen, in denen das Verhalten einzelner Atome genau berechnet und vorhergesagt wird. Grundlage dieser Simulationen ist die Quantenmechanik. Obwohl ihr Fundament schon vor etwa 70 Jahren von dem Österreicher Erwin Schrödinger (Nobelpreis 1933) gelegt wurde, blieb die genaue Berechnung von komplexen Systemen mit vielen Elektronen bis vor kurzem unmöglich. Erst die Einführung der Dichtefunktionaltheorie, für die der in Österreich geborene Wissenschaftler Walter Kohn 1998 den Nobelpreis erhalten hat, verbunden mit der Nutzung leistungsfähiger Computer-Cluster, hat in den letzten zwanzig Jahren zu einer echten Revolution bei der Simulation atomarer Prozesse und Eigenschaften geführt. Heute werden Dichtefunktionalmethoden transdisziplinär zur Erforschung metallischer, halbleitender und isolierender Materialien sowie nanostrukturierter und biologischer Systeme eingesetzt. Mit der Entwicklung des Software Paketes VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) wurde ein sehr wichtiger Beitrag zu diesem Durchbruch in Wien geleistet. Der Erfolg wird unter anderem dadurch dokumentiert, dass VASP weltweit an etwa 400 Forschungsstätten eingesetzt wird, zum Beispiel an so renommierten Institutionen wie dem MIT (Massachusetts Institute of Technology) oder an den Forschungsabteilungen von General Motors, Ford, Sony, Intel, Motorola und TOTAL. Der START-Preis wird es ermöglichen, Österreich auch in den nächsten Jahren als ein Zentrum für die Entwicklung von ab initio Methoden zu erhalten, ja möglicherweise die existierende internationale Führungsrolle noch auszubauen. Die angestrebten Entwicklungen sind dabei relativ breit gefächert und können am besten unter den Schlagworten "genauer", "größer und komplexer" zusammengefasst werden. "Genauere" Berechnungen: In gewissen Bereichen, wie zum Beispiel bei der Behandlung von magnetischen Materialien, wie sie in Festplatten Verwendung finden, kommt es bisher zu signifikanten Abweichungen zwischen dem realen und dem Computerexperiment. Auch die Eigenschaften von Halbleitern, Isolatoren und Defekten in Halbleitern, die bei der Erzeugung von hoch-integrierten Chips eine große Rolle spielen, können im Computerexperiment oft nicht hinreichend genau bestimmt werden. Es sollen Verfahren entwickelt werden, die dieses Problem lösen und somit die Genauigkeit von Dichtefunktional basierten Methoden wesentlich verbessern. "Größere und komplexere" Systeme: Ein fundamentales Problem der im Moment verwendeten Methoden besteht darin, dass ihr Rechenaufwand kubisch mit der Größe des betrachteten Systems wächst. Bei jeder Verdoppelung der Anzahl der Atome erhöht sich die Rechenzeit somit um den Faktor acht (2x2x2=8). Dies bedeutet, dass sich komplizierte Systeme und Prozesse oft nicht direkt simulieren lassen. Es ist daher unumgänglich, Verfahren zu entwickeln, bei denen der Rechenaufwand nur linear mit der Anzahl der Atome wächst. Bisher gibt es jedoch kein hinreichend stabiles und genaues numerisches Computerprogramm, das dieses Verhalten umsetzt. Es wird angestrebt, dieses Ziel in Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit, die sowohl ComputerwissenschafterInnen als auch angewandte MathematikerInnen einbindet, zu erreichen. Die neuen Methoden werden es ermöglichen, eine Vielzahl offener Fragen in der Materialphysik zu betrachten. Realistische Vorhersagen über die Eigenschaften von Defekten in Isolatoren und Halbleitern, die für die zukünftige Entwicklung hoch integrierter Chips eine enorme Bedeutung haben, rücken damit in den Bereich des Möglichen. Vorhersagen über chemische und katalytische Prozesse sollten ebenso wesentlich verbessert werden. Durch das lineare Skalierungsverhalten können Dichtefunktionalberechungen außerdem in Bereiche vordringen, die bisher anderen, weniger genauen Methoden vorbehalten waren. Dies betrifft vor allem wichtige zukunftsträchtige Schlüsselgebiete wie die Nanotechnologie und Biophysik.

Fortschritt in vielen Hochtechnologiebereichen hängt in zunehmendem Maße von der Fähigkeit ab, die Struktur und Zusammensetzung von Materialien, Bauteilen und biologischen Systemen auf atomarer Skala zu kontrollieren. Viele atomare Prozesse und Vorgänge sind in Laboratoriums-Experimenten nicht mehr beobachtbar. Daraus folgt unmittelbar die Bedeutung atomistischer Computersimulationen, in denen das Verhalten einzelner Atome genau berechnet und vorhergesagt wird. Grundlage dieser Simulationen ist die Quantenmechanik. Obwohl ihr Fundament schon vor etwa 70 Jahren von dem Österreicher Erwin Schrödinger (Nobelpreis 1933) gelegt wurde, blieb die genaue Berechnung von komplexen Systemen mit vielen Elektronen bis vor kurzem unmöglich. Erst die Einführung der Dichtefunktionaltheorie, für die der in Österreich geborene Wissenschaftler Walter Kohn 1998 den Nobelpreis erhalten hat, verbunden mit der Nutzung leistungsfähiger Computer-Cluster, hat in den letzten zwanzig Jahren zu einer echten Revolution bei der Simulation atomarer Prozesse und Eigenschaften geführt. Heute werden Dichtefunktionalmethoden transdisziplinär zur Erforschung metallischer, halbleitender und isolierender Materialien sowie nanostrukturierter und biologischer Systeme eingesetzt. Mit der Entwicklung des Software Paketes VASP (Vienna Ab initio Simulation Package) wurde ein sehr wichtiger Beitrag zu diesem Durchbruch in Wien geleistet. Der Erfolg wird unter anderem dadurch dokumentiert, dass VASP weltweit an etwa 400 Forschungsstätten eingesetzt wird, zum Beispiel an so renommierten Institutionen wie dem MIT (Massachusetts Institute of Technology) oder an den Forschungsabteilungen von General Motors, Ford, Sony, Intel, Motorola und TOTAL. Der START-Preis wird es ermöglichen, Österreich auch in den nächsten Jahren als ein Zentrum für die Entwicklung von ab initio Methoden zu erhalten, ja möglicherweise die existierende internationale Führungsrolle noch auszubauen. Die angestrebten Entwicklungen sind dabei relativ breit gefächert und können am besten unter den Schlagworten "genauer", "größer und komplexer" zusammengefasst werden. "Genauere" Berechnungen: In gewissen Bereichen, wie zum Beispiel bei der Behandlung von magnetischen Materialien, wie sie in Festplatten Verwendung finden, kommt es bisher zu signifikanten Abweichungen zwischen dem realen und dem Computerexperiment. Auch die Eigenschaften von Halbleitern, Isolatoren und Defekten in Halbleitern, die bei der Erzeugung von hoch-integrierten Chips eine große Rolle spielen, können im Computerexperiment oft nicht hinreichend genau bestimmt werden. Es sollen Verfahren entwickelt werden, die dieses Problem lösen und somit die Genauigkeit von Dichtefunktional basierten Methoden wesentlich verbessern. "Größere und komplexere" Systeme: Ein fundamentales Problem der im Moment verwendeten Methoden besteht darin, dass ihr Rechenaufwand kubisch mit der Größe des betrachteten Systems wächst. Bei jeder Verdoppelung der Anzahl der Atome erhöht sich die Rechenzeit somit um den Faktor acht (2x2x2=8). Dies bedeutet, dass sich komplizierte Systeme und Prozesse oft nicht direkt simulieren lassen. Es ist daher unumgänglich, Verfahren zu entwickeln, bei denen der Rechenaufwand nur linear mit der Anzahl der Atome wächst. Bisher gibt es jedoch kein hinreichend stabiles und genaues numerisches Computerprogramm, das dieses Verhalten umsetzt. Es wird angestrebt, dieses Ziel in Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit, die sowohl ComputerwissenschafterInnen als auch angewandte MathematikerInnen einbindet, zu erreichen. Die neuen Methoden werden es ermöglichen, eine Vielzahl offener Fragen in der Materialphysik zu betrachten. Realistische Vorhersagen über die Eigenschaften von Defekten in Isolatoren und Halbleitern, die für die zukünftige Entwicklung hoch integrierter Chips eine enorme Bedeutung haben, rücken damit in den Bereich des Möglichen. Vorhersagen über chemische und katalytische Prozesse sollten ebenso wesentlich verbessert werden. Durch das lineare Skalierungsverhalten können Dichtefunktionalberechungen außerdem in Bereiche vordringen, die bisher anderen, weniger genauen Methoden vorbehalten waren. Dies betrifft vor allem wichtige zukunftsträchtige Schlüsselgebiete wie die Nanotechnologie und Biophysik.