Ny metod förbättrar simuleringar av kvantsystem

Material som innehåller övergångsmetaller och sällsynta jordartsmetaller har komplexa egenskaper som är mycket svåra att simulera och förutsäga. Samtidigt har dessa material stor potential att driva utvecklingen av teknologier inom exempelvis elektronik, energi och hälsovård.

Nu har Hugo Strand, universitetslektor i fysik vid Örebro universitet, tillsammans med forskarkollegor från Tyskland och USA, utvecklat en ny simuleringsmetod för kvantsystem. Metoden gör det möjligt att till exempel förstå hur komplexa oxider och kvantprickar – små nanopartiklar – fungerar. Simuleringarna kan också användas för att förutsäga materialegenskaper, vilket är särskilt värdefullt eftersom standardmetoder ofta inte är tillräckliga för att beskriva material med övergångsmetaller.

– Denna optimering gör inte bara simuleringen av kvantsystem snabbare, utan möjliggör också mer precisa förutsägelser om hur material beter sig, säger Hugo Strand.

Löser ett centralt problem 

En av de största utmaningarna inom kvantsimuleringar är det så kallade teckenproblemet som uppstår när de värden som beräknas i en simulering kan ha både positiva och negativa tecken. Detta gör att simuleringen blir mycket ineffektiv och ofta missvisande.

– Den nya algoritmen minskar detta problem och öppnar dörren för en djupare förståelse av komplexa material och för snabbare och mer effektiv design av materialegenskaper, säger Hugo Strand.

Öppen mjukvara tillgänglig

Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Physical Review B och den utvecklade simuleringsmjukvaran är öppen och tillgänglig för alla.
Med nya forskningsmedel från Vetenskapsrådet ska Hugo Strand vidareutveckla simuleringsmetoden för att även kunna beskriva det dynamiska beteendet hos kvantsystem.

– Med hjälp av de nya forskningsmedlen kommer vi nu att driva forskningsfronten framåt på icke-jämviktssidan. Målet är att kunna beskriva hur egenskaperna hos kvantmaterial kan förbättras med hjälp av ultrasnabba laserpulser, en metod som forskarna tilldelades Nobelpriset i fysik för år 2023, säger Hugo Strand.