Доклад сотрудника НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ отмечен дипломом «Суперкомпьютерные дни в России – 2020»
Пятница, 02 октября 2020Сотрудники Лаборатории квантовой химии (ЛКХ) Отделения перспективных разработок НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в соавторстве с проф. Е. Элиавом из Тель-Авивского Университета (Израиль) представили на научной конференции «Суперкомпьютерные дни в России – 2020» новую разработку – программный комплекс EXP-T для высокоточного квантово-механического моделирования электронных состояний и свойств систем, включающих атомы тяжелых и сверхтяжелых элементов. Конференция охватила самый широкий круг представителей науки, промышленности, бизнеса, образования, государственных органов, учащихся - всех тех, кто связан с разработкой или использованием суперкомпьютерных технологий.
В соответствии с требованиями времени, конференция прошла 21-22 сентября 2020 года в онлайн-формате. Работа, результаты которой представил младший научный сотрудник Александр Олейниченко, выполнена совместно с другими сотрудниками ЛКХ — главным научным сотрудником д.ф.-м.н. А.В. Зайцевским и старшим научным сотрудником к.ф.-м.н. Л.В. Скрипниковым, а также профессором Е. Элиавом из Тель-Авивского Университета (Израиль).
Высокоточные квантовомеханические расчеты необходимы для решения очень широкого круга фундаментальных задач, в частности, для поиска Новой физики за пределами Стандартной модели и «суперактинидов» за пределами седьмого периода Таблицы Д.И. Менделеева (который заканчивается последним открытым сверхтяжелым элементом 118 - оганесоном). Новый уровень расчетов «из первых принципов» необходим и для выявления особенностей и понимания на атомарном уровне поведения примесных актинидных центров в кристаллах минералов и разработки методик их прямого анализа, а также для поиска новых атомных и молекулярных систем, перспективных с точки зрения возможности их прямого лазерного охлаждения. Современная спектроскопия также не может обойтись без моделирования: из недавних примеров следует упомянуть экспериментальное изучение термов двухатомной молекулы монофторида радия RaF (работа выполнена при участии сотрудника ЛКХ Т. А. Исаева в качестве специалиста в области моделирования «из первых принципов»), потенциала ионизации и электронных термов атомов 102 элемента нобелия (No) и сродства к электрону 85 элемента астата (At). Планирование этих прорывных экспериментов было бы невозможно без точных предсказаний положений электронных уровней и вероятностей переходов между ними. Высокоточное моделирование также представляет интерес в контексте поиска надежных твердотельных матриц для решения проблемы долговременной иммобилизации ядерных отходов в глубоких геологических формациях.
Особенностью всех перечисленных задач является необходимость одновременного включения в математические модели как релятивистских эффектов, так и как можно более полный учет двухчастичных взаимодействий между десятками, а иногда и сотнями электронов — только так можно достичь высочайшей точности расчетов. До недавнего времени решение таких задач было под силу только программному пакету DIRAC, разработанному международным коллективом специалистов (преимущественно европейских) в области релятивистской квантовой химии. Однако серьезные ограничения, заложенные в этот программный комплекс, не позволяли достичь прорывной точности квантово-механического моделирования, необходимой для выведения релятивистских расчетов на уровень, адекватный современному уровню развития экспериментальных техник. Поэтому сотрудниками Лаборатории квантовой химии НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ было принято решение о разработке принципиально нового пакета программ, который позволил бы как минимум на порядок повысить точность моделирования сложных, в том числе кристаллических систем, содержащих атомы тяжелых и сверхтяжелых элементов. Одной из ключевых задач проекта являлась адаптация разрабатываемых программных продуктов к современным суперкомпьютерным технологиям: активное использование параллельных вычислений позволяет кратно увеличивать размеры изучаемых систем. В качестве базового подхода к моделированию поведения электронных состояний был выбран релятивистский метод связанных кластеров в пространстве Фока (Fock space coupled cluster method, FS-RCC). Разработанный сотрудниками ЛХХ программный пакет EXP-T (названный в честь основной формулы метода связанных кластеров) не только позволил воспроизвести уже существующие достижения в области прецизионного релятивистского моделирования, но и в кратчайшие сроки построить и протестировать производительность ряда новых квантовомеханических моделей. В частности, была разработана новая версия релятивистского метода связанных кластеров, обозначаемая аббревиатурой FS-RCCSDT и полностью учитывающая трехкратно возбужденные электронные конфигурации — эта технология моделирования позволила почти на порядок улучшить предсказания электронных уровней энергии тяжелых атомов. Среди других первых приложений новой технологии – расчеты излучательных характеристик гетероядерной молекулы RbCs и изучение сверхтонких взаимодействий в молекуле KCs. Все параллельные вычисления проводились на суперкомпьютере ЦОД ПИК. Публичная версия исходных кодов программного пакета EXP-T сделана доступной для всего мирового научного сообщества: загрузить её можно на сервисе GitHub. Научные сотрудники МГУ им. М. В. Ломоносова, СПбГУ, университета Гронингена (Нидерланды) и Оклендского университета (США) уже начали использовать EXP-T для решения фундаментальных задач.
В настоящее время ведется работа по созданию новых квантово-механических моделей, которые позволят расширить горизонты теоретического моделирования на соединения f-элементов с несколькими открытыми электронными оболочками. По итогам выступления на конференции «Суперкомпьютерные дни в России – 2020» готовится к выходу статья в сборнике Springer Communications in Computer and Information Science. Препринт работы доступен на сервисе препринтов arXiv.
