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在化學(xué)反應(yīng)過程中觀察電子運動的能力。研究人員長期以來一直在研究控制化學(xué)反應(yīng)的原子級過程，但之前從未能夠觀察到電子運動。
電子存在于最小的尺度上，直徑小于一千萬億分之一米并以飛秒速度(一千萬億分之一秒)繞原子軌道運行。對觀察電子行為感興趣的實驗者使用激光脈沖與電子相互作用。他們可以通過分析激光射出探針的電子特性來計算電子的能量和動量。
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)，然后觀察接下來的幾個飛秒。然后，它們發(fā)送第二個激光脈沖，其時間延遲為幾飛秒。達到這種水平的分辨率很困難，因為飛秒非常短 - 光在一秒鐘內(nèi)可以行駛300,000公里，而在一飛秒內(nèi)只能達到300納米。
在被第一個激光脈沖激發(fā)后，原子的價電子 - 原子外部的電子，可以幫助形成化學(xué)鍵 - 可能會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。
除了實驗方法之外，高性能計算(HPC)已成為理解這些原子級相互作用，驗證實驗觀察以及更詳細地研究化學(xué)反應(yīng)期間電子行為的越來越重要的工具。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，以補充計算模型的實驗。
為了更好地了解化學(xué)反應(yīng)過程中電子的行為，施密特和他的合作者一直在斯圖加特高性能計算中心(HLRS)使用超級計算資源來模擬這種現(xiàn)象。施密特說：“Fritz Haber研究所的實驗小組向我們介紹了這項研究，我們實際上已經(jīng)完成了模擬。” “在這種情況下，理論領(lǐng)先于實驗，因為我們做了預(yù)測，實驗證實了這一點。”
激光般的焦點
去年，施密特的團隊與杜伊斯堡 - 埃森大學(xué)的實驗家合作，激發(fā)原子級系統(tǒng)并實時觀察光誘導(dǎo)相變(PIPT)。相變 - 當物質(zhì)從一種物理狀態(tài)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)狀態(tài)時，例如水變?yōu)楸?- 對于研究和設(shè)計材料非常重要，因為物質(zhì)的性質(zhì)可能會根據(jù)其所處的狀態(tài)而發(fā)生巨大變化。
例如，該團隊發(fā)現(xiàn)，當激光脈沖激發(fā)時，銦基納米級導(dǎo)線基本上會從絕緣體變?yōu)殡妼?dǎo)體。這些銦線雖然不一定對電子應(yīng)用具有直接的技術(shù)意義，但它可以作為良好的測試案例，并且可以通過實驗驗證模擬。
今年，該團隊想要了解以前對銦線學(xué)到的知識，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)模的原子運動的測量，”施密特說。“我們可以展示原子在化學(xué)反應(yīng)過程中是如何移動的。今年，我們甚至能夠在反應(yīng)發(fā)生時監(jiān)測電子。”
形象地說，電子充當了將原子化學(xué)結(jié)合在一起的膠水。然而，激光脈沖可以踢出電子，創(chuàng)造了研究人員稱之為“光孔”的東西。這些光孔僅持續(xù)幾個飛秒，但可能導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂和新鍵的形成。當銦納米線被激光脈沖擊中時，該系統(tǒng)形成金屬鍵，這解釋了其相變成電導(dǎo)體。
超級計算模擬允許研究人員使電子的路徑運動，最終幫助他們研究完整的反應(yīng)“途徑”。研究人員運行第一原理模擬，意味著他們從沒有關(guān)于原子系統(tǒng)如何工作的假設(shè)開始，然后在實驗條件下計算原子及其電子的模型。這些類型的密集，第一原理計算需要先進的超級計算資源，例如通過HLRS的高斯計算中心提供的超級計算資源。
在其前期工作和當前項目之間，團隊現(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算方法，可用于模擬極快的相變。
復(fù)雜化學(xué)
該團隊目前的模擬由大約1,000個原子組成，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團隊從HLRS團隊那里獲得了優(yōu)化其代碼的幫助，使其能夠在多達10,000個內(nèi)核上并行運行。Schmidt解釋說，雖然整個研究將從將系統(tǒng)規(guī)模增加到10,000個原子的數(shù)量中受益，但團隊工作的下一階段是在更復(fù)雜的系統(tǒng)上工作。
“目前的研究是一個復(fù)雜的計算，但是一個簡單的系統(tǒng)，”他說。“我們的下一步是開展這項研究，因為它涉及與大規(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)用于實際系統(tǒng)。” 通過更好地理解原子水平的電子行為，研究人員的目標是設(shè)計更好的材料來轉(zhuǎn)換，運輸和儲存能量。