FORTWIHR

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND FüR TECHNISCH-WISSENSCHAFTLICHES HOCHLEISTUNGSRECHNEN

HTSC

Arbeitsfeld:

Hochtemperatur Supraleitung und die Skalierbarkeit der Software-Architekturen für HPC

Die zentrale Motivation für dieses Projekt besteht in einem neuen "lokalen" Konzept zur Behandlung von Fragestellungen der Festkörperphysik und zur Erforschung von Materialeigenschaften auf Basis des "High-Performance Computing" (HPC). Dieses Konzept nutzt die in einem mikroskopischen Cluster gegebenen Informationen über die enthaltenen Elektronen, Ionen und deren Wechselwirkung aus und schließt damit auf die makroskopischen Eigenschaften des Festkörpers. Falls dies möglich ist, so können chemische Konzepte lokaler Bindungen dazu genutzt werden, um einen Bezug mit Materialwissenschaften herzustellen und insbesondere um Voraussagen über neue Materialeigenschaften zu treffen. In der Tat wurde dieses Konzept schon von unserer Theorie-Gruppe im Rahmen früherer KONWIHR Projekte der letzten Jahre ("OOPCV" und "CUHE") in wesentlichen Schritten erarbeitet. Unser Ziel ist es weiterhin, eine mikroskopische Theorie und damit ein grundlegendes Verständnis der Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) zu erlangen.

Die numerische Umsetzung dieser "Embedded Cluster Schemes" erfordert zuerst die Lösung eines Clusterproblems. Hierbei benutzen wir die Methoden der "Exakten Diagonlisierung" (ED) zur Berechnung von Grundzustandseigenschaften und "Quanten-Monte-Carlo" (QMC) für den Fall endlicher Temperaturen. Im Rahmen eines typischen QMC Algorithmus leistet jeder Kern eine eigene QMC Prozedur, welche auch die sogenannte "warm-up" Phase beinhalted, die wiederum notwendig ist, um das simulierte System im thermischen Gleichgewicht zu halten. Dieses Vorgehen nutzt Computer-Resourcen nur ineffizient, was in diesem Projekt vermieden werden soll. Die Idee ist es nun, viele Kerne, die den QMC "update" Prozess durchführen, in ein und demselben QMC Schritt zu kombinieren. Die gesamte Kommunikation zwischen den "kombinierten" Kernen wird dabei von Hilfsprogrammen wie dem "Message-Passing-Interface" (MPI) gesteuert.

Die Anwendungen, welche mit wesentlich größeren Clustern möglich werden, sind in den folgende zwei Themengebieten angesiedelt:

1. Im Rahmen der von KONWIHR geförderten "Embedded Cluster" Rechnungen haben wir kürzlich das Phasendiagramm der HTSL im Rahmen eines Modells berechnet (Hubbard Modell). Hierbei konnten wir entscheidende Ergebnisse aus Experimenten reproduzieren (Konkurrenz von Antiferromagnetismus (AF) und Supraleitung (SL)). Unser Ziel ist dabei, ein tieferes Verständnis der Supraleitung und des zu Grunde liegenden Paarungs-Mechanismus dieses prototypischen Modells eines sogenannten dotierten Mott-Isolators zu erlangen. Sind es Spinfluktuationen, die mit der AF Phase verbundenden sind oder Ladungsfluktuationen? Wie sieht die Dynamik der Paarungs-Wechselwirkung der hoch-Tc Kuprat-Supraleiter aus? Ist diese retardiert oder nicht-retardiert, d.h. instantan?
2. Die fortwährende Suche nach neuen HTSL führte kürzlich zu einer überraschenden Entdeckung. Das Auftreten von SL in der eisenbasierenden Verbindung LaO_{1-x}F_{x}FeP eröffnete der Erforschung der SL insgesamt eine völlig neue Richtung. Erst vor kurzem ermöglichte das Ersetzen von P durch As und das Austauschen von La durch Nd und Pr eine Erhöhung der Sprungtemperatur Tc auf über 50K, wodurch diese Materialien die bisher höchste supraleitende Sprungtemperatur Tc unter den nicht-Kuprat basierten Festkörpern aufweisen. In Teil (II) ist es unsere Zielsetzung, den Mechanismen der SL in diesen und ähnlichen eisenbasierten Verbindungen zu verstehen, Das wiederum ist sehr vielversprechend, um Tc systematisch zu steigern, vielleicht auch jenseits der Rekorde (~130K) der Kuprat SL.