Computergestützte Physik

Da die grundlegenden Gleichungen der Physik im Allgemeinen nicht analytisch gelöst werden können, spielen Computersimulationen in der Wissenschaft eine sehr wichtige Rolle. Simulationen können auf der atomaren Skala durchgeführt werden, wo die Schrödinger-Gleichung zusammen mit den Gesetzen der statistischen Physik im Prinzip die Beschreibung aller Phänomene in der Festkörperphysik, der Chemie und den Materialwissenschaften ermöglicht. Simulationen können jedoch auch auf viel größeren Skalen durchgeführt werden, um beispielsweise Supernovae zu simulieren. Aufgrund der rasant zunehmenden Geschwindigkeit von Computern ist die Simulation ein sehr aktives Gebiet mit vielen Möglichkeiten zur Verbesserung der Simulationsmethoden und mit neuen Anwendungen, die möglich werden.

GruppeGoedecker

Gruppe von Prof. S. Goedecker

Simulationsmethoden sind ein leistungsfähiges Instrument zur Bestimmung der Struktur und der elektronischen Eigenschaften von Systemen aus kondensierter Materie. Wir entwickeln bessere Algorithmen für solche atomistischen Berechnungen und wenden sie auf anspruchsvolle Probleme an. Die Forschung ist interdisziplinär und umfasst Physik, Mathematik, Chemie und Informatik. Die Hauptanwendung liegt im Bereich der Materialwissenschaften, wo wir durch Simulationen neue Materialien mit interessanten Eigenschaften vorhersagen, hauptsächlich im Bereich der Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energien. Um Grundzustandsstrukturen zu finden, muss das globale Minimum der potentiellen Energieoberfläche gefunden werden. Dies kann mit dem Minima-Hopping-Algorithmus erfolgen (Goedecker, J. Chem. Phys 120, 9911 (2004)). Die Visualisierung des Minima-Hopping-Algorithmus zeigt die Bildung eines Fulleren-Moleküls aus einer Graphitplatte mit 60 Kohlenstoffatomen. Obwohl Silizium eines der am besten untersuchten Materialien ist, blieben viele interessante Strukturen bis vor kurzem unentdeckt (Maximilian Amsler, et al., Physical Review B 92, 014101 (2015)). Das Bild zeigt einige neuartige Siliziumstrukturen mit niedriger Dichte und interessanten Eigenschaften für Photovoltaik-Anwendungen.

GruppeLiebendoerfer

Gruppe von Prof. M. Liebendörfer

Makroskopische Phänomene in der Natur - in der Astrophysik und auf der Erde - entstehen oft durch die Wechselwirkung eng gekoppelter mikroskopischer Prozesse mit unterschiedlichen charakteristischen Längen- und Zeitskalen. Wir entwickeln effiziente Transport-/Hydrodynamik-Algorithmen im Zusammenhang mit dem Gravitationskollaps und Supernova-Explosionen. Eine zuverlässige numerische Verbindung zwischen der Eingangsphysik und den Beobachtungen in weit entfernten astrophysikalischen Objekten liefert neue Informationen über die Materie unter sonst unzugänglichen Bedingungen oder ermöglicht umgekehrt die Vorhersage einer großräumigen Entwicklung auf der Grundlage der bekannten Eingangsphysik.


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