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Mit Rechen­power neue Ein­blicke ge­winnen

Einen neuen Weltrekord in der Simulation von realen Festkörpersystemen wollen Wissenschaftler um Andreas Läuchli vom Institut für Theoretische Physik aufstellen. Für die Berechnung der Eigenschaften von makroskopischen Quantenspinflüssigkeiten erhalten die Physiker vom europäischen Supercomputer-Netzwerk PRACE insgesamt 40 Millionen CPU-Stunden.

Die Forschungsinteressen von Andreas Läuchli liegen in der theoretischen Untersuchung von wechselwirkenden Quantenvielteilchensystemen. Computersimulationen erlauben dabei, neuartige Phänomene zu entdecken und zu verstehen. Aufgrund der Komplexität stark korrelierter Systeme basieren die meisten theoretischen Ansätze auf vereinfachten Modellen. Der einzige Weg, eindeutige Antworten zu erhalten, sind aber exakte Simulationen dieser im Experiment nur sehr schwer zugänglichen Systeme. In einem aktuellen Projekt versucht das Team um Andreas Läuchli makroskopische Quantenspinflüssigkeiten zu charakterisieren. Dazu haben sie mit internationalen Partnern eine neue Methode entwickelt, die sogenannte Energiespektroskopie. Dabei wird das Spektrum der Anregungsenergien in einem ausgedehnten Vielteilchensystem ermittelt. „Diese Energiespektren sind vergleichbar mit einem Fingerabdruck des Systems“, erklärt Andreas Läuchli.

Zugang zu Hochleistungsrechnern

Während mit der LEO-Familie an der Uni Innsbruck und dem VSC-Cluster in Wien Supercomputer in Österreich zur Verfügung stehen, reichen deren Kapazitäten für das Vorhaben von Andreas Läuchli nicht aus. Er hat deshalb mit seinem Team Rechenzeit über das europäische Supercomputing-Netzwerk PRACE beantragt, dem sich Österreich im Vorjahr wieder angeschlossen hat. Über das Netzwerk erhalten österreichische Wissenschaftler Zugang zu Hochleistungsrechnern in ganz Europa.

Obwohl es mehrere Kandidaten für Quantenspinflüssigkeiten gibt, ist noch unklar, wie diese Zustände in der Praxis realisiert und wie sie zuverlässig nachgewiesen werden können. Im Rahmen des Projekts von Andreas Läuchli werden die Energieniveaus eines 48-teiligen Systems untersucht. „Damit wollen wir neue Physik identifizieren und die Natur besser kennenlernen“, sagt Andreas Läuchli. „Ohne die Rechenleistungen des europäischen Netzwerks könnten wie unser Vorhaben nur schwer realisieren.“ Um mit ihrem Antrag bei Prace erfolgreich zu sein, mussten die Innsbrucker Wissenschaftler zeigen, dass der von ihnen geschriebene Programmcode auf Hochleistungsrechner hin optimiert ist und die enormen Rechenressourcen eines Supercomputers ausnutzen kann. Was sicherlich auch geholfen hat ist, dass Andreas Läuchli und sein Team zu den weltweit führenden Experten auf dem Gebiet der numerischen Quanten-Vielteilchensimulation zählen.

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