Tieteellisen laskennan innovaatiosta hyötyä aurinkokennotutkijoille
Laskennallinen tiede pyrkii mallintamaan luonnonilmiöitä tietokoneella. Laskennassa käytettävien koodien kehitys tapahtuu pääsääntöisesti avoimesti verkossa. Kehityksen ja laskentakapasiteetin kasvun myötä koodit ovat monimutkaistuneet, ja monipuolisen laskentaohjelmiston kehittämisessä tarvitaan lukuisia ihmistyövuosia. Suomen Akatemian osittain rahoittamassa hankkeessa on toteutettu uusi avoimen lähdekoodin ohjelmisto GPAW, joka nopeuttaa elektronirakennelaskentaa.
Aineen elektronirakenne määrää lähes kaikki sen kemialliset ja fyysiset ominaisuudet sekä vuorovaikutukset massaa lukuunottamatta. GPAW on uuden sukupolven koodi elektronirakennelaskentaan.
Laskennallinen tiede toimii joko itsenäisesti, tai kokeellisen tieteen tukena. Nykyisin tieteellinen laskenta tapahtuu jopa tuhansilla prosessoriytimillä kerrallaan, ja niillä ajettavien koodien kehitys tapahtuu pääsääntöisesti avoimesti verkossa.
”Viime vuosikymmenten aikana kokeellinen mielenkiinto tutkimuksessa on mennyt kohti pienempiä hiukkasia, ja laskennallinen mielenkiinto kohti suurempia. Kärjistetysti voidaan sanoa, että viimeinkin olemme päässeet samaan mittakaavaan kokeilijoiden kanssa”, toteaa GPAW:n kehittämiseen osallistunut Chalmersin teknillisen yliopiston tutkija Mikael Kuisma.
”GPAW sisältää useita työkaluja valon ja aineen vuorovaikutuksen laskemiseksi. Koodi käyttää tiheysfunktionaaliteoriaksi kutsuttua tehokasta menetelmää elektronirakenteen määrittämiseksi. GPAW on houkutteleva vaihtoehto suuren mittakaavan laskentaan, jossa käytetään useita prosessoriytimiä. Tieteen tietotekniikan keskus (CSC) on ollut mukana kehittämässä koodia, jota ajetaan myös paljon sen supertietokoneilla.”
Kuvassa CSC:n Kajaanin datakeskuksessa sijaitseva supertietokone Sisu, Cray XC30. Sisu tarjoaa suomalaisille tutkijoille mittavat resurssit esimerkiksi nanoteknologian, fuusioenergian ja ilmastonmuutoksen tutkimiseen. Sisun laskentateho on tuhat biljoonaa liukulukulaskutoimitusta sekunnissa.
Laskennallisella mallinnuksella monia käyttökohteita
Kuisma on omassa väitöstutkimuksessaan kehittänyt ja toteuttanut koodiin niin sanotun GLLB-SC mallipotentiaalin, joka mallintaa erinomaisesti esimerkiksi puolijohteiden elektroni-aukko-virityksiä sekä aikariippuvassa versiossaan hopea-nanohiukkasten plasmonivärähtelyjä. Mallinnus on tärkeää, sillä puolijohteita käytetään tietotekniikan ohella muun muassa lasereissa ja aurinkokennoissa, ja hopea-nanohiukkasien optisia ominaisuuksia voidaan käyttää aurinkokennoista syöpähoitoihin.
Mikael Kuisman mukaan mallinnusinnovaatio on osoittautunut menestykseksi, sillä sen ansiosta muun muassa puolijohteiden ja plasmoniviritysten tieteellinen laskenta nopeutuu.
”Uskon, että olen saanut paljon viittauksia työhöni nimenomaan siksi, että se on julkaistu avoimen lähdekoodin pohjalta. Ylpein olen siitä, että toinen tutkimusryhmä on seulonut menetelmälläni kymmeniä tuhansia aurinkokennomateriaaleja, ja löytänyt uusia kandidaatteja tarkempaa tutkimusta varten. Parempaa kiitosta ei tieteessä voi saada, kuin se että muut tarttuvat omaan tutkimukseesi ja edistävät sitä.”
Kuisma kertoo, että nanokokoisten jalometallihiukkasien plasmonien mallinnus elektronirakenteen tasolla on haastavaa. Esimerkiksi 2.6 nanometrin hopeananohiukkasella on tuhansia elektroneja, joiden vuorovaikutus täytyy mallintaa tehokkaasti, mutta tarkasti.
"Laskentakapasiteetin ja menetelmien kehittyessä myös tutkittavien materiaalien kirjo ja kompleksisuus ovat kasvaneet. Laskennan nopeutuessa asiat eivät siis helpotu vaan vaikeutuvat entisestään. Tieteelle tyypilliseen tapaan työskentelemme jatkuvasti mukavuusalueen ulkopuolella eli oman tiedon ja koneiden suorituskyvyn rajoilla.”
Mallinnus auttaa ennennäkemättömän suurten nanometriluokan jalometalliklustereiden plasmonivärähtelyn ennustamisessa.
”Odotan jo innolla uutta tammikuussa alkavaa projektiamme, jossa tutkimme palladiumklustereiden vedynvarastointiominaisuuksia plasmonivärähtelyn avulla."
Teksti: Risto Alatarvas
Kuvat: Mikael Kuisma ja CSC
