Linux-Cluster zum wissenschaftlichen Hochleistungsrechnen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Rechencluster diente und dient vor allem der Berechnung der elektronischen Struktur und Dynamik von molekularen und nanoskaligen Systemen sowie der Entwicklung und dem Einsatz von nichtempirischen Dichtefunktionalen, die Anwendungsbereiche erschließen, die bisher als „zu komplex für die Dichtefunktionaltheorie“ galten. Am Lehrstuhl Theoretische Physik IV (Arbeitsgruppe Kümmel) wurden insbesondere Verfahren entwickelt und getestet, die auf nichtempirischen Orbitalfunktionalen – z. B. der Kohn-Sham Selbstwechselwirkungskorrektur und Reichweiten-separierten Hybridfunktionalen – beruhen und sowohl Landungstransport als auch Ladungstransferanregungen korrekt beschreiben. Damit ist die Dichtefunktionaltheorie und zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie in der Lage, in dem wichtigen Bereich der molekularen Elektronik und der lichtsammelnden Systeme quantitative Vorhersagen zu machen. Es wurde beispielsweise gezeigt, dass das bisherige Problem der notorischen massiven Unterschätzung der Anregungsenergien langreichweitiger Ladungstransferanregungen in engem Zusammenhang mit Selbstwechselwirkungsfehlern in den üblichen Austausch-Korrelationsfunktionalen steht. Werden diese Fehler im Rahmen der Kohn-Sham Theorie und des „Generalized Optimized Effective Potential“ korrigiert, so ergibt sich ein Austausch-Korrelationspotential, das ein zeitabhängiges, der externen Anregung entgegen wirkendes intrinsisches Feld aufbaut, das zu korrektem Response führt. Der Rechencluster war und ist das Rückgrat aller numerischen Arbeiten im GRK 1640 und SFB 840 und dient in diesem Zusammenhang z. B. der Berechnung der optischen Bandlücke von „low gap“ Donor-Akzeptor-Systemen, der Untersuchung der Struktur katalytisch aktiver metallischer Nanolegierungen und der Vorhersage von Energie- und Ladungstransferprozessen in multichromophoren Systemen. Er kommt insbesondere auch für Propagationsrechnungen auf diskreten Ortsraumgittern, die effizient parallelisiert werden können, zum Einsatz und dient der Weiterentwicklung entsprechender Techniken. Gleichzeitig realisiert der Rechencluster die Arbeitsplattform für das theoretisch arbeitende Keylab der Polymer Nanostructures Initiative an der Universität Bayreuth. In diesem Zusammenhang stand und steht er verschiedenen Arbeitsgruppen zur Verfügung. In der zunächst mit dem Lehrstuhl Theoretische Physik IV verbundenen und mittlerweile eigenständigen Arbeitsgruppe Albuquerque wurde u. a. die Ausbildung supramolekularer Strukturen mit Molekulardynamik- Methoden untersucht. In der Arbeitsgruppe Zimmermann wurden in mesoskopischen Simulationen neuartige Migrationszustände von deformierbaren Objekten in oszillatorischen Scherströmungen und in Kanälen mit periodisch modulierten Rändern entdeckt sowie neue kollektive Eigenschaften von Mikroschwimmern und neuartige Ordnungsphänomene von kolloidalen Janus-Teilchen in Flüssigkeitsmischungen gefunden. Durch Simulationen zur Mikrophasenseparation in Diblock-Copolymeren konnten universelle Eigenschaften gezeigt werden, die dieses System im thermischen Gleichgewicht mit dissipativen Systemen gemeinsam hat. Simulationen von Modellen zur Faltenbildung auf inhomogenen Elastomeren führten zur Aufdeckung einer neuen Symmetrieklasse für Strukturbildung. Im Bereich der computergestützten Biologie (Arbeitsgruppe Ullmann) wurde das Rechnersystem eingesetzt um großskalige Quantenmechanik-Molekulardynamik koppelnde Simulationen („QM/MM“), elektrostatische Rechnungen und Monte-Carlo Simulationen durchzuführen. Quantenchemische Rechnungen dienten der Parametrisierung einfacherer Modelle, die die Grundlage für Dynamische Monte-Carlo Rechnungen bildeten. Zudem wurde das Programmpaket GMCT entwickelt und extensiv auf dem Cluster getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/13/4/043031) - Collectively Induced Quantum-Confined Stark Effect in Monolayers
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acidophila/ strain 10050 studied by time-resolved spectroscopy and
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Eigenvalues. Journal of Chemical Physics, Vol. 140. 2014, Issue 18,
18A510.
T. Schmidt, E. Kraisler, L. Kronik, S. Kümmel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4865942) - Frequency dependence of the exact exchange-correlation kernel of
time-dependent density-functional Theory. Physical Review Letters, Vol. 112. 2014, Issue 8: 083001.
M. Thiele, S. Kümmel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.083001)
