Kvantmekaniska simuleringsmetoder för materialdesign testade
2016-03-30
Forskare från Uppsala universitet har tillsammans med kollegor från över 30 universitet och forskningsinstitut världen över undersökt i vilken utsträckning kvantmekaniska simuleringar av materialegenskaper stämmer överens när de utförs av olika forskare och med olika programvara.
Tack vare ett samarbete online har de framgångsrikt visat att den senaste generationen av all simuleringsmjukvara, till skillnad från tidigare generationers kod, i hög grad genererar samma resultat. Studien presenteras i Science den 25 mars.
En av hörnstenarna inom naturvetenskap är att oberoende men samtidigt identiska experiment eller simuleringar ska kunna producera identiska resultat. Det är den enda möjligheten att kunna identifiera ”lagar” som leder till djupare insikter och ny teknologi.
Nyligen har ett flertal studier visat på att en sådan typ av reproducerbarhet inte alltid är självklar. Man har tidigare kunnat identifiera fall inom så skilda vetenskapsområden som psykologisk forskning och genforskning, där upprepning av tidigare utförda experiment gett vitt skilda resultat. Försiktighet krävs när det gäller förväntade resultat från simuleringar som använder sig av teoretisk mjukvara, eftersom resultaten kan påverkas av hur de olika teoretiska metoderna har implementeras. Detta är en viktig orsak till försiktighet av tolkningen av resultat, inom samtliga forskningsfält som använder sig av datorsimuleringar. När det gäller till exempel studier och simuleringar av material finns det ett flertal oberoende mjukvaror för kvantmekaniska beräkningar och simuleringar. Dessa metoder används allt oftare i automatiserade processer med begränsad mänsklig monitorering på detaljnivå. Det är därför viktigt att veta i vilken utsträckning beräknade materialegenskaper beror på vilken mjukvara som används.
Trots behovet av tillförlitliga förutsägelser av materialegenskaper har reproducerbarheten av kvantmekaniska simuleringar tidigare inte undersökts systematiskt. Detta beror huvudsakligen på att det inte finns enskilda personer som är tillräckligt skickliga på att utföra noggranna beräkningar med hjälp av samtliga koder som finns tillgängliga. Forskare från Uppsala universitet har därför ingått i ett samarbete med över 60 kollegor från 30 olika universitet och forskningsinstitut för att samla den expertis som finns inom området. Forskarna har undersökt 40 olika simuleringsmetoder för att beskriva tillståndsekvationen hos 71 grundämnen.
På grund av den internationella sammansättningen av forskargruppen har diskussioner och samarbeten huvudsakligen skett med online-verktyg, på motsvarande sätt som människor samarbetar för att skriva artiklar på Wikipedia.
Forskargruppen kan nu visa på att den senaste generationens mjukvara, till skillnad från äldre metoder, i all väsentlighet stämmer överens. Dessutom har de definierat ett kvalitetskriterium av ett materials beräknade energi, som gör det möjligt att kunna verifiera framtida mjukvaruutveckling mot den omfattande databas av tillståndsekvationer som skapats i projektet. Ny information adderas kontinuerligt till en webbsida som även finns tillgänglig för allmänheten. De inblandade forskarna hoppas på att deras arbete kan bidra till en kvalitetsutveckling gällande simuleringar av materialegenskaper och att det kommer att kunna underlätta utvecklingen av förbättrade simuleringskoder.
Uppsalaforskarna i projektet har deltagit med de båda koderna RSPt och Elk, som är resultaten av en satsning på tillämpningsexperter inom materialsimuleringar, samt Uppsala universitets satsning på e-vetenskap via det så kallade eSSENCE-projektet.
– Det är viktigt att vi nu har kunnat etablera att olika teoretiska simuleringsprogram resulterar i materialegenskaper som varierar mindre än resultaten från motsvarande experimentella tekniker, säger Diana Iusan som tillsammans med Igor Di Marco drivit forskningen från Uppsala universitet.
Artikelreferens
Kurt Lejaeghere et al, Reproducibility in density functional theory calculations of solids, Science
Camilla Thulin