Attività Scientifica
Simulazioni, Materiali, Teoria e Software:Yambo
Queste quattro aree ben rappresentano le numerose attività teorico/computazionali del laboratorio di Theory and Simulation. Queste attività coprono un ampio spettro di simulazioni della dinamica e caratterizzazione di varie tipologie di fenomeni e materiali. Le diverse expertises dei componenti del laboratorio vanno dall’uso di teorie avanzate fino allo sviluppo di codici avanzati di simulazione numerica. Questa varietà permette al laboratorio di poter studiare e predire le proprietà all'equilibrio e/o in stato eccitato di un sistema sia in uno stato steady-state che fuori dall’equilibrio.
Le attività del laboratorio si trovano, così, al confine delle applicazioni e teorie più avanzate come dimostrano sia le collaborazioni in essere che le numerose pubblicazioni.
Il laboratorio, inoltre, e’ in costante contatto con collaboratori esterni e gruppi sperimentali, ai quali offre, anche con il supporto di user infrastructures Europee, servizi di calcolo e simulazione. Tra questi servizi va menzionato il progetto Yambo, che e’ ad oggi, un codice scientifico conosciuto a livello mondiale, interamente sviluppato dall’istituto, con una storia ormai decennale di scuole e sviluppo.
Simulazioni ed Analisi
Questa attività del laboratorio Theory and Simulation coinvolge numerosi ricercatori, interessati a studi teorici finalizzati a essere un valido supporto nell’analisi e nella comprensione dei risultati sperimentali.
Le applicazioni degli studi teorici spaziano dalla spettroscopia di fotoemissione, alla spettroscopia di core, alla spettroscopia IR, RAMAN, TR-ARPES e alle spettroscopie di superficie dove si riescono a riprodurre proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali.
L’utilizzo di diversi metodi di calcolo permette di ottenere informazioni utili e confrontabili con risultati sperimentali: è proprio la capacità di mettere in relazione sempre i calcoli teorici con gli esperimenti l’elemento comune all’interno dell’attività del laboratorio.
I prodotti della ricerca evidenziano le applicazioni più varie e la capacità del laboratorio di inserirsi in ambiti sempre diversi.
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Il Laboratorio Theory and Simulation ISM ha sviluppato competenze specifiche in diversi settori di interesse tecnologico e di ricerca basata sui materiali.Ciò comporta l'applicazione delle competenze tecniche e del know-how (descritti sopra in Simulazione e Analisi) che servono per affrontare nuove sfide nella scienza dei materiali e che sono di interesse per l'Istituto e per i nostri numerosi collaboratori. Gli argomenti spaziano dai materiali cristallini, amorfi, e difettosi, fino alla materia soffice, le nanostrutture e i sistemi molecolari.
Nello specifico questi includono (ma non sono limitati a): semiconduttori magnetici diluiti; cristalli drogati con idrogeno; superfici, interfacce organiche e inorganiche, materiali 2D e stratificati; ossidi amorfi; cristalli fotonici di reticoli isotropi / uniassiali unidimensionali; e superconduttori.
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Novel/Advanced Phenomena and Theory
L’attività di ricerca su questo argomento si propone di esplorare e modellizare nuovi fenomeni alla frontiera tra fisica e chimica. Esempio di queste linea di ricerca sono: i) la modellizazione a livello atomistico di proprietà dinamiche e strutturali con tecniche di simulazione con in-house hardware basata su Dinamica Molecolare Classica e Reverse Quantum Monte Carlo guidato da X-Ray/Scattering di neutroni ; ii) la modellizazione di generazioni di hot-phonons nella dinamica ultraveloce di esperimenti pump-probe in materiali complessi; iii) lo studio di reattivita’ quantistica in condizioni ultrafredde con tecniche di dinamica non-adiabatica di wave-packet e metodi ab-initio di dinamica ipersferica.
YAMBO
Yambo è un progetto open source volto a studiare le proprietà dello stato eccitato dei sistemi di materia condensata dai primi principi usando metodi a molti corpi. Come input, yambo richiede i dati della struttura elettronica dello stato fondamentale calcolati da codici come Quantum ESPRESSO ed Abinit. Le capacità di yambo includono il calcolo della risposta lineare, correzioni di quasi-particelle di quantità basate sul formalismo GW, assorbimento ottico e altre quantità spettroscopiche.
Gli sviluppi recenti vanno dall'inclusione di effetti fisici importanti ma spesso trascurati come le interazioni elettrone-fonone all'implementazione di uno schema di propagazione in tempo reale per la simulazione di proprietà ottiche lineari e non lineari.
Yambo è codificato con un'efficiente struttura parallela che consente di sfruttare architetture di elaborazione e schede GPU moderne ad alte prestazioni. Inoltre è possibile automatizzare i flussi di lavoro interfacciarsi con gli strumenti software yambopy e AiiDA.
Strumentazioni
- Gromacs-dedicated workstation with two 8C (Xeon E5-2630 v3) and four GTX980 GPUs.
- EPSR (RMC)-dedicated workstation with 12C.
- 9-nodes HCP cluster (Dual Xeon E5-2683 v2): InfiniBand connected, 256C.
- 48C Xeon Quantum Chemistry dedicated server
- 4 Xeon based standalone servers
- Distributed file system resources
Collaborazioni
- Structural & Electronic Surface Dynamics group, Berlin (Germany), time-resolved ARPES.
Universita’ di Roma Tor Vergata, Prof. G. Stefanucci e E. Perfetto.
Femtosecond laser laboratory (STRATUS), Politecnico di Milano, Prof. G. Cerullo. Time resolved absorption. - Universita' della Tuscia (Viterbo) nell'ambito delle simulazioni di dinamica molecolare di biomolecole complesse in interazione con solventi e substrati. Collaboratore : Stefano Borocci
- Universita' Sapienza, nell'ambito dello studio delle dinamiche di interazione tra ioni radicali e molecole nelle alte atmosfere.
Collaboratori : Antonella Cartoni - Universita’ degli studi di Perugia, reattivita’ quantistica ipersferica di reazioni chimiche elementari.
Collaboratori: Vincenzo Aquilanti e Simonetta Cavalli - Universidad de los Pais Vascos, proprieta’ dei Poli di Regge e effetti di risonanza sulla reattivita’ chimica.
Collaboratori: Dmitri Sokolovski - Universidad Autonoma de Madrid: Superfici di Energia Potenziale fondamentali, eccitate e loro interazioni.
Collaboratori: Alfredo Aguado - Istituto dei Processi Chimico Fisici, CNR Pisa, dinamica non adiabatica con metodi dipendenti dal tempo
Collaboratori: Carlo Petrongolo - ISAS-Berlin; TU-Berlin; Univ. Munster (Germania): assorbimento di carbeni su semiconduttori
Collaboratori: Norbert Esser, Mario Dahne, Frank Glorius - Univ. Giessen; Univ. Paderborn (Germania): Proprieta’ elettroniche ed ottiche di superfici nanostrutturati di Si-Au
Collaboratori: Simone Sanna, Wolf Gero Schmidt - Universita’ di Milano-Bicocca: assorbimento di porfirine su superfici
Collaborators: Marcello Campione, Adele Sassella - Paris Institute of Nanoscience (INSP); Aix Marseille Université: Silicene
Collaborators: Geoffroy Prevot, Yves Borensztein, Laurence Masson
Yambo development
- CNR-NANO Institute, Modena (Italia)
- Atomistic Simulation Centre, School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast
- International Iberian Nanotechnology Laboratory: Braga (Portugal)
- CNRS / CINaM Aix-Marseille Université.
- Cineca, HPC department
- Theory and Simulation of Materials (THEOS), National Centre for Computational Design and Discovery of Novel Materials (MARVEL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne
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