電子数万個の動きをリアルタイムでシミュレーション(Researchers simulate tens of thousands of electrons in real time)

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2025-05-21 オークリッジ国立研究所(ORNL)

電子数万個の動きをリアルタイムでシミュレーション(Researchers simulate tens of thousands of electrons in real time)
Real-time modeling of optical responses in nanostructures using RT-TDDFT helps interpret, understand and guide next-generation applications in science and technology. Credit: ORNL, Dept. of Energy

米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所(ORNL)とノースカロライナ州立大学の研究チームは、世界初のエクサスケール・スーパーコンピュータ「Frontier」を活用し、最大24,000個の電子の動きをリアルタイムでシミュレーションする技術を開発しました。この手法は、時間依存密度汎関数理論(RT-TDDFT)を用い、ナノスケール材料における電子の超高速な動態を高精度で解析可能にします。これにより、光応答性材料や量子情報デバイスの設計が飛躍的に進展し、次世代の太陽電池や量子コンピュータの開発が加速することが期待されます。研究成果は、米国化学会の『Journal of Chemical Theory and Computation』に掲載されました。

<関連情報>

24,000電子ダイナミクスのシミュレーション: 実空間マルチグリッド(RMG)を用いた実時間密度汎関数法(TDDFT) Simulation of 24,000 Electron Dynamics: Real-Time Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) with the Real-Space Multigrids (RMG)

Jacek Jakowski,Wenchang Lu,Emil Briggs,David Lingerfelt,Bobby G. Sumpter,Panchapakesan Ganesh,and Jerzy Bernholc
Journal of Chemical Theory and Computation  Published: January 23, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jctc.4c01241

Abstract

We present the theory, implementation, and benchmarking of a real-time time-dependent density functional theory (RT-TDDFT) module within the RMG code, designed to simulate the electronic response of molecular systems to external perturbations. Our method offers insights into nonequilibrium dynamics and excited states across a diverse range of systems, from small organic molecules to large metallic nanoparticles. Benchmarking results demonstrate excellent agreement with established TDDFT implementations and showcase the superior stability of our time integration algorithm, enabling long-term simulations with minimal energy drift. The scalability and efficiency of RMG on massively parallel architectures allow for simulations of complex systems, such as plasmonic nanoparticles with thousands of atoms. Future extensions, including nuclear and spin dynamics, will broaden the applicability of this RT-TDDFT implementation, providing a powerful toolset for studies of photoactive materials, nanoscale devices, and other systems where real-time electronic dynamics is essential.

1601コンピュータ工学
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