פולרון חור גדול דמוי סקרמיון בפרוסקיט כפול הליד Cs2AgBiBr6. החצים מציגים את התזוזות האטומיות, והחור נמצא במרכז המערבולת הזו. לשדה העקירה יש אופי טופולוגי מוגדר, עם מטען טופולוגי ומערבולת שלמים. קרדיט: J. Lafuente-Bartolome
סימולציות במחשבי העל TACC Frontera ו-Lonestar6 חושפות מערבולות טופולוגיות בקווזי-חלקיקים של פולרון.
בעשור האחרון, מתכת-הליד פרוסקיטים התקדמו במהירות כמוליכים למחצה, והתעלו על הסיליקון ביכולתם להמיר אור לזרם חשמלי מאז גילוים הראשוני.
סימולציות על מחשבי העל Frontera ו-Lonestar6 של TACC חשפו מבני מערבולת מפתיעים בקוואזי-חלקיקים של אלקטרונים ואטומים, הנקראים פולארונים, התורמים לייצור חשמל מאור השמש.
תגלית חדשה זו יכולה לעזור למדענים לפתח תאים סולאריים חדשים ותאורת LED. סוג זה של תאורה נחשב לטכנולוגיה ידידותית לסביבה ובת קיימא שיכולה לעצב מחדש את עתיד התאורה.
"מצאנו שאלקטרונים יוצרים חבילות גלים צרות מקומיות, המוכרות כפולרונים. "גושי המטען" האלה – הפולארונים הקווזי-חלקיקים – מעניקים לפרובסקיטים תכונות מוזרות", אמר פליסיאנו ג'וסטינו, פרופסור לפיזיקה ו-WA 'Tex' Moncrief, יו"ר הנדסת חומרים קוונטיים במכללה למדעי הטבע ופקולטה הליבה ב-WA. מכון אודן להנדסה ומדעים חישוביים (מכון אודן) באוניברסיטת אוסטין.
ג'וסטינו הוא מחבר שותף למחקר על פולארונים שהתגלו בפרוסקיטים הלידים שפורסם לאחרונה ב- המשך של האקדמיה הלאומית למדעים.
"הפולארונים האלה מראים דפוסים מאוד מסקרנים. האטומים מסתובבים סביב האלקטרון ויוצרים מערבולות שלא נצפו מעולם", אמר ג'וסטינו, שהוא גם מנהל המרכז להנדסת חומרים קוונטיים במכון אודן.
מבני המערבולת של פולארונים עשויים לעזור לאלקטרונים להישאר במצב נרגש, מה שקורה כאשר פוטון של דפיקות אור לתוך התרכובות ברמה האטומית.
"אנו חושדים שמבנה המערבולת המוזר הזה מונע מהאלקטרון לחזור לרמת האנרגיה הלא נרגשת", הסביר ג'וסטינו. "מערבולת זו היא מבנה טופולוגי מוגן בחומר הסריג הליד פרובסקיט שנשאר במקומו לאורך זמן ומאפשר לאלקטרונים לזרום מבלי לאבד אנרגיה."
הקשר היסטורי ויעילות של פרוסקיטים
מבני פרוסקיט הם סוג של חומר הידוע במשך יותר ממאה שנה כאשר גוסטב רוז גילה את תחמוצת סידן טיטניום פרוסקיט CaTiO3 בשנת 1839. לאחרונה, בשנת 2012 עבד ג'וסטינו עם קבוצתו של המדען מאוניברסיטת אוקספורד הנרי סניית' שגילה סוג חדש של פרובסקיט בשם הליד פרוסקיטים – כאשר במקום חמצן יש הלוגנים, יסודות היוצרים מלחים כאשר הם מגיבים עם מתכות.
"מסתבר ש-halide perovskites בתאים סולאריים מראים יעילות המרת אנרגיה יוצאת דופן", אמר ג'וסטינו.
לשם השוואה, היעילות הגבוהה ביותר בסיליקון היא כ-25 אחוז, כלומר מתוך כל האנרגיה המגיעה מהשמש, רבע מומרת לחשמל. כדי להגיע ליעילות של 25 אחוז, סיליקון לקח כ-70 שנות פיתוח. הליד פרוסקיטים, לעומת זאת, הצליחו להגיע ליעילות של 25 אחוז תוך 10 שנים בלבד.
מחשבי העל של Frontera (משמאל) ו-Lonestar6 (מימין) במרכז המחשוב המתקדם של טקסס באוניברסיטת טקסס באוסטין. קרדיט: TACC
"זהו חומר מהפכני", אמר ג'וסטינו. "זה מסביר מדוע קבוצות מחקר רבות שעובדות על פוטו-וולטאיות עברו לפרובסקיטים, כי הם מאוד מבטיחים. התרומה שלנו בחנה את היסודות באמצעות שיטות חישוביות כדי להתעמק בתכונות של תרכובות אלו ברמה של אטומים בודדים".
לצורך המחקר, ג'וסטינו השתמש בהקצאות על מחשבי העל Lonestar6 ו-Frontera שהוענקו על ידי מרכז המחשוב המתקדם של טקסס (TACC), וכן במחשבי העל של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) במרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NERSC).
"המחקר הזה הוא חלק מפרויקט בחסות משרד האנרגיה שנמשך כבר כמה שנים בתמיכת TACC ובפרט Frontera, שבו פיתחנו מתודולוגיות לחקור כיצד אלקטרונים מתקשרים עם הסריג האטומי הבסיסי", אמר ג'וסטינו .
לדוגמה, אמר ג'וסטינו במקרה של פרוסקיטים הלידים, הפולארונים הגדולים שמצאו דרשו תאי סימולציה של כחצי מיליון אטומים, דבר שלא ניתן לחקור בשיטות סטנדרטיות.
שיתוף פעולה ויישומים עתידיים
כדי לנהל את החישובים הללו במחשב-על, ג'וסטינו ושותפי הפעולה שלו באוסטין ומחוצה לה פיתחו את EPW, קוד פתוח של Fortran וקוד ממשק להעברת הודעות שמחשב מאפיינים הקשורים לאינטראקציה של אלקטרונים-פונון. קוד EPW מתמחה בחקר האופן שבו אלקטרונים מתקשרים עם רעידות בסריג של מוצק, מה שגורם להיווצרות פולארונים. קוד זה פותח כעת על ידי שיתוף פעולה בינלאומי בראשות Giustino.
"שיתוף הפעולה שלנו עם TACC הוא יותר משימוש במשאבי מחשוב מתקדמים", אמר ג'וסטינו. "החלק החשוב ביותר הוא האינטראקציה עם האנשים. הם היו חיוניים בעזרה לנו ליצור פרופיל של הקוד ולוודא שאנו נמנעים מצווארי בקבוק על ידי יישום כלי פרופיל שעוזרים לנו ללמוד ירידה בביצועים. חלק גדול מהעבודה המתרחשת על קוד EPW היא בשיתוף פעולה עם מומחי TACC שעוזרים לנו לשפר את קנה המידה של הקוד כדי לקבל ביצועים מיטביים במחשבי העל".
מחקר הפולרון של ג'וסטינו נבחר כחלק מתוכנית יישומי המדע המאפיינים (CSA) של TACC במימון הקרן הלאומית למדע (NSF). כתריסר פרויקטים של CSA יודיעו על התכנון של מתקן המחשוב הבא של NSF Leadership-Class, הנקרא Horizon, שנמצא בפיתוח ב-TACC.
"עבודת ה-CSA בין הקבוצה שלי לבין TACC כדי לייעל את קוד ה-EPW מאפשרת לנו לדחוף את הגבולות של מה שאפשר לחקור בהבנה ובגילוי חומרים חדשים וחשובים. זה שילוב של תיאוריה, אלגוריתמים ומחשוב בעל ביצועים גבוהים עם הרבה הלוך ושוב עם הקולגות שלנו ב-TACC כדי לוודא שאנחנו משתמשים במחשבי העל בצורה הכי קיימא שאפשר", אמר ג'וסטינו.
יישום אפשרי נוסף הוא פיתוח התקני זיכרון פרו-אלקטריים, זיכרון מחשב שיכול להיות קומפקטי יותר. בו, מידע מקודד על ידי רטט של אטומים בגביש מתחת לשדה חשמלי מופעל.
"השקעה במחשוב בעל ביצועים גבוהים ובמחשוב עתידי היא חיונית למדע", סיכם ג'וסטינו. "זה דורש השקעות גדולות כמו אלו שמקיימות ומרחיבות מתקנים כמו TACC."
מחקר זה נתמך על ידי התוכנית למדעי החומרים החישוביים במימון משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, מדעי האנרגיה הבסיסיים, תחת פרס מס' DE-SC0020129. בנוסף ל-TAC, עבודה זו השתמשה במשאבים של המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה, מתקן משתמש של משרד האנרגיה של משרד המדע הנתמך על ידי משרד המדע של משרד האנרגיה האמריקאי במסגרת חוזה מס' DE-AC02-05CH11231.
