Neuer Algorithmus berechnet komplexe Strukturen

Ein Durchbruch auf dem Gebiet der angewandten Mathematik ist Mathematikprofessor Dr. Thomas Blesgen gelungen. Er lehrt in den Studiengängen Elektrotechnik und Physikalische Technik der TH Bingen. Gemeinsam mit Kollegen der University of Michigan hat er einen signifikanten Beitrag zur Dichtefunktionaltheorie geleistet. Die Fachzeitschrift Physical Review widmet der Entdeckung einen Beitrag, in dem der Algorithmus veröffentlicht ist. „Drei Jahre Entwicklungsarbeit wurden belohnt. Prof. Blesgen und seinen amerikanischen Mitstreitern gratuliere ich zur Entwicklung und Implementierung eines extrem schnellen Algorithmus, der die Schrödinger-Gleichung numerisch löst“, freut sich Vizepräsident Prof. Dieter Kilsch über den Erfolg des Kollegen.

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) zur approximativen Lösung der Schrödinger-Gleichung wird jährlich in mehr als 10.000 wissenschaftlichen Publikationen verwendet mit steigender Tendenz. DFT erlaubt, beinahe alle mechanischen, chemischen oder elektronischen Eigenschaften eines Materials numerisch zu berechnen. Die Voraussagen sind erstaunlich exakt und besonders dann wertvoll, wenn experimentelle Daten wegen zu hoher Kosten oder zu großem zeitlichem Aufwand nicht gewonnen werden können. In jüngster Zeit leistete DFT beim Design verbesserter Batterien, in der Entwicklung effektiver Solarzellen oder bei der Suche neuer Katalysatoren entscheidende Beiträge. Problematisch ist jedoch der kolossale Rechenaufwand: Simulationen brauchen die schnellsten verfügbaren Computer. In der Regel sind das große Parallel-Rechner mit Hunderten oder Tausenden von Knoten, oder Super-Computer.

Der neu entwickelte Algorithmus des Forscherteams beschleunigt die Berechnungen erheblich. Diese fällt umso größer aus, je komplexer das Problem ist. Mittelgroße Probleme können damit in einem Fünftel der bisherigen Zeit gelöst werden, große Probleme sogar hunderte Male schneller. Außerdem ist die neue Methode bei metallischen Systemen effektiv und benötigt keine periodischen Randdaten. Beides sind Problemfälle der bisherigen Ansätze. Der Algorithmus wird dabei helfen, die Zusammenhänge zwischen kleinsten mikroskopischen Vorgängen und sichtbaren, makroskopischen Prozessen weiter zu erforschen. Link zur Onlineveröffentlichung in Physical Review

Kontakt
Prof. Dr. Thomas Blesgen
blesgen@th-bingen.de
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