在最近出版的“ 科學(xué)”雜志上，帕德博恩大學(xué)和柏林弗里茨哈伯研究所的研究人員展示了他們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中觀察電子運(yùn)動(dòng)的能力。研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直在研究控制化學(xué)反應(yīng)的原子級(jí)過(guò)程，但之前從未能夠觀察到電子運(yùn)動(dòng)。
電子存在于最小的尺度上，直徑小于一千萬(wàn)億分之一米并以飛秒速度(一千萬(wàn)億分之一秒)繞原子軌道運(yùn)行。對(duì)觀察電子行為感興趣的實(shí)驗(yàn)者使用激光脈沖與電子相互作用。他們可以通過(guò)分析激光射出探針的電子特性來(lái)計(jì)算電子的能量和動(dòng)量。
研究人員面臨的挑戰(zhàn)是記錄飛秒發(fā)生的事件 - 他們必須首先用激光脈沖激發(fā)系統(tǒng)，然后觀察接下來(lái)的幾個(gè)飛秒。然后，它們發(fā)送第二個(gè)激光脈沖，其時(shí)間延遲為幾飛秒。達(dá)到這種水平的分辨率很困難，因?yàn)轱w秒非常短 - 光在一秒鐘內(nèi)可以行駛300,000公里，而在一飛秒內(nèi)只能達(dá)到300納米。
在被第一個(gè)激光脈沖激發(fā)后，原子的價(jià)電子 - 原子外部的電子，可以幫助形成化學(xué)鍵 - 可能會(huì)重新排列形成新的化學(xué)鍵，從而產(chǎn)生新的分子。然而，由于這些相互作用的速度和規(guī)模，研究人員只假設(shè)這種重新安排是如何發(fā)生的。
除了實(shí)驗(yàn)方法之外，高性能計(jì)算(HPC)已成為理解這些原子級(jí)相互作用，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)觀察以及更詳細(xì)地研究化學(xué)反應(yīng)期間電子行為的越來(lái)越重要的工具。由Wolf Gero Schmidt教授領(lǐng)導(dǎo)的帕德博恩大學(xué)小組一直與物理學(xué)家和化學(xué)家合作，以補(bǔ)充計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)。
為了更好地了解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電子的行為，施密特和他的合作者一直在斯圖加特高性能計(jì)算中心(HLRS)使用超級(jí)計(jì)算資源來(lái)模擬這種現(xiàn)象。施密特說(shuō)：“Fritz Haber研究所的實(shí)驗(yàn)小組向我們介紹了這項(xiàng)研究，我們實(shí)際上已經(jīng)完成了模擬。” “在這種情況下，理論領(lǐng)先于實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槲覀冏隽祟A(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。”
激光般的焦點(diǎn)
去年，施密特的團(tuán)隊(duì)與杜伊斯堡 - 埃森大學(xué)的實(shí)驗(yàn)家合作，激發(fā)原子級(jí)系統(tǒng)并實(shí)時(shí)觀察光誘導(dǎo)相變(PIPT)。相變 - 當(dāng)物質(zhì)從一種物理狀態(tài)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)狀態(tài)時(shí)，例如水變?yōu)楸?- 對(duì)于研究和設(shè)計(jì)材料非常重要，因?yàn)槲镔|(zhì)的性質(zhì)可能會(huì)根據(jù)其所處的狀態(tài)而發(fā)生巨大變化。
例如，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光脈沖激發(fā)時(shí)，銦基納米級(jí)導(dǎo)線(xiàn)基本上會(huì)從絕緣體變?yōu)殡妼?dǎo)體。這些銦線(xiàn)雖然不一定對(duì)電子應(yīng)用具有直接的技術(shù)意義，但它可以作為良好的測(cè)試案例，并且可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬。
今年，該團(tuán)隊(duì)想要了解以前對(duì)銦線(xiàn)學(xué)到的知識(shí)，并在更基礎(chǔ)的水平上研究化學(xué)反應(yīng) - 它想要跟蹤激光脈沖激發(fā)后組成電子的行為。“去年，我們發(fā)表了一篇自然文章，展示了這種規(guī)模的原子運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，”施密特說(shuō)。“我們可以展示原子在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中是如何移動(dòng)的。今年，我們甚至能夠在反應(yīng)發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)電子。”
形象地說(shuō)，電子充當(dāng)了將原子化學(xué)結(jié)合在一起的膠水。然而，激光脈沖可以踢出電子，創(chuàng)造了研究人員稱(chēng)之為“光孔”的東西。這些光孔僅持續(xù)幾個(gè)飛秒，但可能導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂和新鍵的形成。當(dāng)銦納米線(xiàn)被激光脈沖擊中時(shí)，該系統(tǒng)形成金屬鍵，這解釋了其相變成電導(dǎo)體。
超級(jí)計(jì)算模擬允許研究人員使電子的路徑運(yùn)動(dòng)，最終幫助他們研究完整的反應(yīng)“途徑”。研究人員運(yùn)行第一原理模擬，意味著他們從沒(méi)有關(guān)于原子系統(tǒng)如何工作的假設(shè)開(kāi)始，然后在實(shí)驗(yàn)條件下計(jì)算原子及其電子的模型。這些類(lèi)型的密集，第一原理計(jì)算需要先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算資源，例如通過(guò)HLRS的高斯計(jì)算中心提供的超級(jí)計(jì)算資源。
在其前期工作和當(dāng)前項(xiàng)目之間，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在更好地理解光孔在塑造能量如何在系統(tǒng)中分布的重要作用，最終為研究人員提供了一種可靠的計(jì)算方法，可用于模擬極快的相變。
復(fù)雜化學(xué)
該團(tuán)隊(duì)目前的模擬由大約1,000個(gè)原子組成，雖然很小，但它們可以獲得系統(tǒng)原子及其組成電子如何相互作用的代表性樣本。Paderborn團(tuán)隊(duì)從HLRS團(tuán)隊(duì)那里獲得了優(yōu)化其代碼的幫助，使其能夠在多達(dá)10,000個(gè)內(nèi)核上并行運(yùn)行。Schmidt解釋說(shuō)，雖然整個(gè)研究將從將系統(tǒng)規(guī)模增加到10,000個(gè)原子的數(shù)量中受益，但團(tuán)隊(duì)工作的下一階段是在更復(fù)雜的系統(tǒng)上工作。
“目前的研究是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算，但是一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，”他說(shuō)。“我們的下一步是開(kāi)展這項(xiàng)研究，因?yàn)樗婕芭c大規(guī)模能源生產(chǎn)相關(guān)的光催化劑或系統(tǒng) - 我們希望將其應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。” 通過(guò)更好地理解原子水平的電子行為，研究人員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)更好的材料來(lái)轉(zhuǎn)換，運(yùn)輸和儲(chǔ)存能量。