Para peneliti di Universitas Buffalo telah mengembangkan metode pemodelan kuantum yang kuat namun terjangkau yang dikenal sebagai pendekatan Wigner terpotong. Versi yang ditingkatkan sekarang dapat memecahkan masalah kuantum dunia nyata yang kompleks pada laptop biasa. Terobosan ini dapat membuat simulasi kuantum tingkat tinggi menjadi lebih cepat, lebih murah, dan dapat diakses secara luas oleh para ilmuwan di mana pun. Kompleksitas Kuantum dalam Jangkauan Bayangkan mengintip (…)

RisalahPos.com Network

Ketika Kebakaran Sungai California meletus pada tahun 2020, kebakaran tersebut terjadi dengan sangat hebat sehingga menimbulkan badai petir tersendiri — awan pirokumulonimbus yang menjulang tinggi yang memuntahkan petir dan mengubah cuaca di atasnya. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan berjuang untuk membuat model badai api yang mengeluarkan asap dan kelembapan ke atmosfer seperti letusan gunung berapi. Sekarang, para peneliti telah mencapai (…)

RisalahPos.com Network

Peneliti USC telah mencapai tonggak sejarah dalam komputasi kuantum dengan menunjukkan bahwa anil kuantum dapat memecahkan masalah optimisasi yang kompleks lebih cepat daripada metode klasik. Dengan koreksi kesalahan canggih, mereka mengalahkan algoritma klasik terbaik menggunakan prosesor kuantum gelombang-D. Kuantum Advantage Ditunjukkan dalam Terobosan Utama, Peneliti di USC telah menunjukkan bahwa komputer kuantum dapat mengungguli bahkan (…)

RisalahPos.com Network

Para peneliti memanfaatkan kekuatan superkomputer paling canggih di dunia untuk mensimulasikan cara kerja mesin seluler yang memperbaiki DNA dan membantu mencegah penyakit yang mengancam jiwa. Sunburn dan penuaan dini adalah konsekuensi terkenal dari paparan radiasi ultraviolet (UV), asap tembakau, dan karsinogen lainnya. Tapi kerusakannya melampaui permukaan – di dalam tubuh, (…)

RisalahPos.com Network

Para peneliti di University of Illinois Urbana-Champaign telah membuka kunci wawasan baru tentang perilaku bergejolak aliran hipersonik dengan menggunakan simulasi 3D canggih. Memanfaatkan daya superkomputer dan perangkat lunak yang dibangun khusus, mereka menemukan ketidakstabilan yang tidak terduga dan aliran kerusakan di sekitar model berbentuk kerucut di Mach 16, gangguan yang belum pernah dilihat sebelumnya dalam studi 2D atau eksperimental sebelumnya. Temuan ini bisa (…)

RisalahPos.com Network

Ahli kosmologi menggunakan alat komputasi mutakhir untuk mengungkap rahasia materi gelap dan energi gelap, yang bersama-sama membentuk 95% dari alam semesta. Melalui Proyek Penambangan Langit Gelap dan superkomputer Aurora yang kuat, para ilmuwan mensimulasikan skenario kosmik dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, menguji teori, dan model pemurnian. Materi gelap, meskipun tidak terlihat, mengungkapkan dirinya melalui gravitasi (…)

RisalahPos.com Network

Di Laboratorium Nasional Argonne, para ilmuwan telah memanfaatkan superkomputer Frontier untuk menciptakan simulasi alam semesta yang belum pernah terjadi sebelumnya, mencakup rentang 10 miliar tahun cahaya dan menggabungkan model fisika yang kompleks. Pencapaian luar biasa ini memberikan wawasan baru mengenai pembentukan galaksi dan evolusi kosmik, serta menunjukkan kemampuan luar biasa dari komputasi exascale. Terobosan dalam Simulasi Alam Semesta (…)

RisalahPos.com Network

Related

Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne milik Departemen Energi AS telah menciptakan hampir 4 juta gambar simulasi kosmos untuk Nancy Grace Teleskop Luar Angkasa Romawi dan Observatorium Vera C. Rubin.

Simulasi ini, bagian dari proyek OpenUniverse, dicapai dengan menggunakan superkomputer dan memberikan pratinjau yang sangat akurat tentang bagaimana teleskop ini akan mengamati alam semesta. Simulasi ini penting untuk mempelajari materi gelap dan energi gelap, dan membantu para ilmuwan mempersiapkan pengamatan nyata yang dimulai pada tahun 2025 untuk Rubin dan 2027 untuk Roman.

Para ilmuwan menyelami alam semesta sintetis untuk membantu kita lebih memahami alam semesta yang sebenarnya. Dengan menggunakan komputer super di Laboratorium Nasional Argonne milik Departemen Energi AS di Illinois, para ilmuwan telah menciptakan hampir 4 juta gambar simulasi yang menggambarkan kosmos sebagai NASATeleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman milik NASA dan Observatorium Vera C. Rubin, yang didanai bersama oleh NSF (National Science Foundation) dan DOE, di Chili, akan melihatnya.

Teknik Simulasi Canggih untuk Mengamati Kosmos

Michael Troxel, seorang profesor fisika di Duke University di Durham, North Carolina, memimpin kampanye simulasi sebagai bagian dari proyek yang lebih luas yang disebut OpenUniverse. Tim tersebut kini merilis subset data berukuran 10 terabyte, dengan 390 terabyte sisanya akan menyusul musim gugur ini setelah diproses.

“Dengan menggunakan mesin Theta milik Argonne yang kini sudah tidak digunakan lagi, kami berhasil menyelesaikan dalam waktu sekitar sembilan hari apa yang akan memakan waktu sekitar 300 tahun di laptop Anda,” kata Katrin Heitmann, seorang kosmolog dan wakil direktur divisi Fisika Energi Tinggi Argonne yang mengelola waktu superkomputer proyek tersebut. “Hasilnya akan membentuk upaya Roman dan Rubin di masa mendatang untuk menerangi materi gelap dan energi gelap sekaligus menawarkan kepada ilmuwan lain pratinjau tentang jenis hal yang dapat mereka jelajahi menggunakan data dari teleskop.”

Mengungkap Rahasia Alam Semesta Melalui Simulasi

Untuk pertama kalinya, simulasi ini memperhitungkan kinerja instrumen teleskop, menjadikannya pratinjau kosmos yang paling akurat sejauh ini sebagaimana yang akan dilihat Roman dan Rubin begitu mereka mulai mengamati. Rubin akan mulai beroperasi pada tahun 2025, dan wahana antariksa Roman milik NASA akan diluncurkan pada bulan Mei 2027.

Ketepatan simulasi ini penting karena para ilmuwan akan menyisir data masa depan observatorium untuk mencari fitur-fitur kecil yang akan membantu mereka mengungkap misteri terbesar dalam kosmologi.

Roman dan Rubin akan mengeksplorasi energi gelap – kekuatan misterius yang diperkirakan mempercepat perluasan alam semesta. Karena energi gelap memainkan peran utama dalam mengatur kosmos, para ilmuwan ingin mempelajarinya lebih lanjut. Simulasi seperti OpenUniverse membantu mereka memahami tanda-tanda yang tercetak pada gambar dan menyempurnakan metode pemrosesan data sekarang sehingga mereka dapat menguraikan data masa depan dengan benar. Kemudian para ilmuwan akan dapat membuat penemuan besar bahkan dari sinyal yang lemah.

“OpenUniverse memungkinkan kami mengkalibrasi ekspektasi kami terhadap apa yang dapat kami temukan dengan teleskop ini,” kata Jim Chiang, seorang ilmuwan staf di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC milik DOE di Menlo Park, California, yang membantu membuat simulasi tersebut. “Ini memberi kami kesempatan untuk melatih alur pemrosesan kami, lebih memahami kode analisis kami, dan menafsirkan hasilnya secara akurat sehingga kami dapat bersiap untuk menggunakan data sebenarnya segera setelah data tersebut mulai masuk.”

Kemudian mereka akan terus menggunakan simulasi untuk mengeksplorasi fisika dan efek instrumen yang dapat mereproduksi apa yang dilihat observatorium di alam semesta.

Kerjasama Tim Teleskopik

Dibutuhkan tim yang besar dan berbakat dari beberapa organisasi untuk melakukan simulasi sebesar itu.

“Hanya sedikit orang di dunia yang memiliki keterampilan yang cukup untuk menjalankan simulasi ini,” kata Alina Kiessling, seorang ilmuwan peneliti di Laboratorium Propulsi Jet NASA (Bahasa Inggris JPL) di California Selatan dan peneliti utama OpenUniverse. “Upaya besar ini hanya mungkin terjadi berkat kolaborasi antara DOE, Argonne, SLAC, dan NASA, yang menyatukan semua sumber daya dan pakar yang tepat.”

Dan proyek ini akan semakin meningkat setelah Roman dan Rubin mulai mengamati alam semesta.

“Kami akan menggunakan pengamatan tersebut untuk membuat simulasi kami lebih akurat,” kata Kiessling. “Ini akan memberi kita wawasan yang lebih luas tentang evolusi alam semesta dari waktu ke waktu dan membantu kita lebih memahami kosmologi yang pada akhirnya membentuk alam semesta.”

Simulasi Roman dan Rubin mencakup bidang langit yang sama, dengan total sekitar 0,08 derajat persegi (setara dengan sepertiga area langit yang tertutupi oleh Bulan purnama). Simulasi lengkap yang akan dirilis akhir tahun ini akan mencakup 70 derajat persegi, sekitar area langit yang tertutupi oleh 350 Bulan purnama.

Dengan menggabungkan keduanya, para ilmuwan dapat mempelajari cara menggunakan aspek terbaik dari masing-masing teleskop – pandangan Rubin yang lebih luas dan penglihatan Roman yang lebih tajam dan lebih dalam. Kombinasi ini akan menghasilkan batasan yang lebih baik daripada yang dapat diperoleh peneliti dari salah satu observatorium saja.

“Dengan menghubungkan simulasi seperti yang telah kami lakukan, kami dapat membuat perbandingan dan melihat bagaimana survei berbasis ruang angkasa Roman akan membantu meningkatkan data dari survei berbasis darat milik Rubin,” kata Heitmann. “Kami dapat mengeksplorasi cara untuk memisahkan beberapa objek yang berpadu dalam gambar Rubin dan menerapkan koreksi tersebut pada cakupan yang lebih luas.”

Para ilmuwan dapat mempertimbangkan untuk memodifikasi rencana pengamatan atau jalur pemrosesan data masing-masing teleskop untuk mendapatkan manfaat penggunaan gabungan keduanya.

“Kami membuat langkah fenomenal dalam menyederhanakan alur kerja ini dan membuatnya dapat digunakan,” kata Kiessling. Kemitraan dengan IRSA (Infrared Science Archive) milik Caltech/IPAC membuat data simulasi dapat diakses sekarang sehingga saat peneliti mengakses data nyata di masa mendatang, mereka sudah terbiasa dengan alat tersebut. “Sekarang kami ingin orang-orang mulai bekerja dengan simulasi untuk melihat peningkatan apa yang dapat kami lakukan dan bersiap untuk menggunakan data masa depan seefektif mungkin.”

OpenUniverse, bersama dengan perangkat simulasi lain yang dikembangkan oleh pusat Operasi Sains dan Dukungan Sains Roman, akan mempersiapkan para ilmuwan untuk kumpulan data besar yang diharapkan dari Roman. Proyek ini menyatukan puluhan pakar dari JPL NASA, Argonne DOE, IPAC, dan beberapa universitas AS untuk berkoordinasi dengan Tim Infrastruktur Proyek Roman, SLAC, dan Rubin LSST DESC (Legacy Survey of Space and Time Dark Energy Science Collaboration). Superkomputer Theta dioperasikan oleh Argonne Leadership Computing Facility, fasilitas pengguna Kantor Sains DOE.

Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman, yang dinamai sesuai nama kepala astronomi pertama NASA, adalah observatorium masa depan yang akan diluncurkan pada pertengahan tahun 2020-an. Teleskop ini bertujuan untuk menjelajahi energi gelap, eksoplanet, dan astrofisika inframerah, serta menyediakan bidang pandang yang lebih luas daripada teleskop konvensional. Teleskop Luar Angkasa Hubble dan menggunakan teknologi canggih seperti coronagraphs untuk mengambil gambar eksoplanet secara langsung. Misi ini dirancang untuk menjawab pertanyaan penting dalam kosmologi dan memperluas pemahaman kita tentang alam semesta.

Observatorium Vera C. Rubin, yang sebelumnya dikenal sebagai Large Synoptic Survey Telescope (LSST), dirancang untuk melakukan Legacy Survey of Space and Time (LSST) selama 10 tahun untuk memetakan seluruh langit yang terlihat dengan detail yang belum pernah ada sebelumnya. Terletak di Chili, observatorium ini akan menggunakan teleskop bidang lebar dan kamera 3,2 miliar piksel untuk mengamati jutaan galaksi dan fenomena langit, membantu dalam studi materi gelap, energi gelap, dan pembentukan galaksi Bima Sakti. Bima SaktiSurvei ekstensifnya diharapkan dapat merevolusi pemahaman kita tentang alam semesta dan bagaimana ia berevolusi.

Simulasi pada superkomputer TACC Frontera dan Lonestar6 mengungkap pusaran topologi dalam kuasipartikel polaron.

Dalam dekade terakhir, perovskit halida logam telah berkembang pesat sebagai semikonduktor, melampaui silikon dalam kemampuannya mengubah cahaya menjadi arus listrik sejak penemuan awal.

Simulasi pada superkomputer Frontera dan Lonestar6 milik TACC telah mengungkap struktur pusaran yang mengejutkan dalam kuasipartikel elektron dan atom, yang disebut polaron, yang berkontribusi dalam menghasilkan listrik dari sinar matahari.

Penemuan baru ini dapat membantu para ilmuwan mengembangkan sel surya dan lampu LED baru. Jenis lampu ini dipuji sebagai teknologi ramah lingkungan dan berkelanjutan yang dapat mengubah masa depan pencahayaan.

“Kami menemukan bahwa elektron membentuk paket gelombang sempit yang terlokalisasi, yang dikenal sebagai polaron. ‘Gumpalan muatan’ ini — polaron kuasipartikel — memberi perovskit sifat-sifat yang unik,” kata Feliciano Giustino, profesor Fisika dan Ketua WA ‘Tex’ Moncrief, Jr. Bidang Teknik Material Kuantum di College of Natural Sciences dan staf pengajar inti di Oden Institute for Computational Engineering and Sciences (Oden Institute) di UT Austin.

Giustino adalah salah satu penulis penelitian tentang polaron yang ditemukan dalam perovskit halida yang baru-baru ini diterbitkan di Prosiding dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.

“Polaron-polaron ini menunjukkan pola yang sangat menarik. Atom-atom berputar mengelilingi elektron dan membentuk pusaran yang belum pernah diamati sebelumnya,” kata Giustino, yang juga merupakan direktur Pusat Rekayasa Material Kuantum di Institut Oden.

Struktur pusaran polaron dapat membantu elektron tetap berada dalam keadaan tereksitasi, yang terjadi ketika foto cahaya menghantam senyawa pada tingkat atom.

“Kami menduga bahwa struktur pusaran aneh ini mencegah elektron kembali ke tingkat energi yang tidak tereksitasi,” jelas Giustino. “Pusaran ini adalah struktur topologi terlindungi dalam material kisi perovskit halida yang tetap berada di tempatnya untuk waktu yang lama dan memungkinkan elektron mengalir tanpa kehilangan energi.”

Konteks Sejarah dan Efisiensi Perovskit

Struktur perovskit merupakan jenis material yang telah dikenal selama lebih dari satu abad ketika Gustav Rose menemukan perovskit kalsium titanium oksida CaTiO3 pada tahun 1839. Baru-baru ini, pada tahun 2012 Giustino bekerja sama dengan sekelompok ilmuwan Universitas Oxford Henry Snaith yang menemukan jenis perovskit baru yang disebut perovskit halida — di mana alih-alih oksigen terdapat halogen, unsur-unsur yang membentuk garam ketika bereaksi dengan logam.

“Ternyata perovskit halida dalam sel surya menunjukkan efisiensi konversi energi yang luar biasa,” kata Giustino.

Sebagai perbandingan, efisiensi tertinggi silikon adalah sekitar 25 persen, yang berarti bahwa dari semua energi yang berasal dari matahari, seperempatnya diubah menjadi listrik. Untuk mencapai efisiensi 25 persen, silikon membutuhkan waktu pengembangan sekitar 70 tahun. Di sisi lain, perovskit halida berhasil mencapai efisiensi 25 persen hanya dalam waktu 10 tahun.

“Ini adalah material revolusioner,” kata Giustino. “Itu menjelaskan mengapa banyak kelompok penelitian yang bekerja di bidang fotovoltaik beralih ke perovskit, karena bahan ini sangat menjanjikan. Kontribusi kami mengamati dasar-dasarnya menggunakan metode komputasi untuk menyelidiki sifat-sifat senyawa ini pada tingkat atom individu.”

Untuk penelitian tersebut, Giustino menggunakan alokasi pada superkomputer Lonestar6 dan Frontera yang diberikan oleh Texas Advanced Computing Center (TACC), serta superkomputer Departemen Energi AS (DOE) di National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

“Penelitian ini merupakan bagian dari proyek yang disponsori oleh Departemen Energi yang telah berlangsung selama beberapa tahun dengan dukungan TACC dan khususnya Frontera, di mana kami mengembangkan metodologi untuk mempelajari bagaimana elektron berinteraksi dengan kisi atom yang mendasarinya,” kata Giustino.

Misalnya, Giustino mengatakan dalam kasus perovskit halida, polaron besar yang mereka temukan memerlukan sel simulasi sekitar setengah juta atom, yang tidak mungkin dipelajari dengan metode standar.

Kolaborasi dan Aplikasi Masa Depan

Untuk mengelola kalkulasi ini pada komputer super, Giustino dan rekan-rekannya di Austin dan sekitarnya mengembangkan EPW, kode Fortran sumber terbuka dan kode antarmuka penyampaian pesan yang menghitung properti yang terkait dengan interaksi elektron-fonon. Kode EPW mengkhususkan diri dalam mempelajari bagaimana elektron berinteraksi dengan getaran dalam kisi padatan, yang menyebabkan pembentukan polaron. Kode ini saat ini dikembangkan oleh kolaborasi internasional yang dipimpin oleh Giustino.

“Kolaborasi kami dengan TACC lebih dari sekadar menggunakan sumber daya komputasi tingkat lanjut,” kata Giustino. “Bagian terpenting adalah interaksi dengan orang-orang. Mereka sangat penting dalam membantu kami membuat profil kode dan memastikan kami menghindari hambatan dengan menerapkan alat pembuatan profil yang membantu kami mempelajari penurunan kinerja. Sebagian besar pekerjaan yang dilakukan pada kode EPW merupakan hasil kerja sama dengan para ahli TACC yang membantu kami meningkatkan penskalaan kode untuk mendapatkan kinerja optimal pada superkomputer.”

Penelitian polaron Giustino telah dipilih sebagai bagian dari program Aplikasi Sains Karakteristik (CSA) TACC yang didanai oleh National Science Foundation (NSF). Sekitar selusin proyek CSA akan menginformasikan desain Fasilitas Komputasi Kelas Kepemimpinan NSF berikutnya, yang disebut Horizon, yang sedang dikembangkan di TACC.

“Kerja sama CSA antara kelompok saya dan TACC untuk mengoptimalkan kode EPW memungkinkan kami untuk mendorong batas-batas hal yang dapat diselidiki seseorang dalam memahami dan menemukan materi baru yang penting. Ini merupakan kombinasi dari teori, algoritma, dan komputasi berperforma tinggi dengan banyak diskusi dengan rekan-rekan kami di TACC untuk memastikan bahwa kami menggunakan superkomputer dengan cara yang paling memungkinkan,” kata Giustino.

Aplikasi lain yang mungkin adalah pengembangan perangkat memori feroelektrik, memori komputer yang dapat lebih ringkas. Di dalamnya, informasi dikodekan oleh getaran atom dalam kristal di bawah medan listrik yang diberikan.

“Investasi dalam komputasi berperforma tinggi dan komputasi masa depan sangat penting bagi sains,” simpul Giustino. “Investasi besar diperlukan, seperti investasi untuk mendukung dan memperluas fasilitas seperti TACC.”

Referensi: “Topologi polaron dalam perovskit halida” oleh Jon Lafuente-Bartolome, Chao Lian dan Feliciano Giustino, 17 Mei 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2318151121

Studi ini didukung oleh Computational Materials Sciences Program yang didanai oleh Departemen Energi AS, Office of Science, Basic Energy Sciences, berdasarkan Penghargaan No. DE-SC0020129. Selain TACC, pekerjaan ini menggunakan sumber daya dari National Energy Research Scientific Computing Center, Fasilitas Pengguna Office of Science Departemen Energi yang didukung oleh Office of Science Departemen Energi AS berdasarkan Kontrak No. DE-AC02-05CH11231.