В недавнем выпуске журнала Nature Materials исследователи описывают, как магнитное поле размером примерно с медицинскую МРТ уменьшило количество тепла, проходящего через полупроводник, на 12 процентов. Моделирование, проведенное в OSC, затем выявило причину этого — магнитное поле вызывает диамагнитный отклик в колеблющихся атомах, известный как фононы, который меняет способ переноса тепла.«Это добавляет новое измерение в наше понимание акустических волн», — сказал Джозеф Хереманс, доктор философии, выдающийся ученый в области нанотехнологий штата Огайо и профессор машиностроения в штате Огайо, группа которого проводила эксперименты. «Мы показали, что можем управлять теплом с помощью магнитного поля. При достаточно сильном магнитном поле мы также сможем управлять звуковыми волнами».
Люди могут быть достаточно удивлены, узнав, что тепло и звук имеют какое-то отношение друг к другу, не говоря уже о том, что ими можно управлять с помощью магнитов, признал Херманс. Но оба они выражают одну и ту же форму энергии с квантовой механики. Таким образом, любая сила, которая контролирует одно, должна контролировать другое.Природа эффекта магнитного поля изначально не была понята, и впоследствии она была исследована с помощью компьютерного моделирования, выполненного на кластере Oakley OSC Оскаром Рестрепо, доктором философии, научным сотрудником, Николасом Антолином, докторантом, и Вольфгангом Виндлом, доктором философии. .D., Профессор Департамента материаловедения и инженерии штата Огайо.
После тщательного изучения всех возможных магнитных откликов, которые немагнитный материал может иметь на внешнее поле, они обнаружили, что этот эффект обусловлен диамагнитным откликом, который существует во всех материалах. Это говорит о том, что общий эффект должен присутствовать в любом твердом теле.Вывод: в таких материалах, как стекло, камень, пластик — материалы, которые обычно не являются магнитными, — теплом можно управлять магнитно, если у вас есть достаточно мощный магнит. Это развитие может в будущем повлиять на новые процессы производства энергии.
Но в ближайшее время у этого открытия не будет никаких практических применений: магниты мощностью семь тесла, подобные тому, который использовался в исследовании, существуют только в больницах и лабораториях, а полупроводник из антимонида индия нужно было охладить. -450 градусов по Фаренгейту (-268 градусов по Цельсию) — очень близко к абсолютному нулю — чтобы атомы в материале замедлились настолько, чтобы движения фононов можно было обнаружить.Чтобы смоделировать эксперимент, Виндл и его команда вычислений использовали стратегию квантово-механического моделирования, известную как теория функционала плотности (DFT). Стратегия DFT использовалась для определения того, как меняется распределение электронов, когда атомы колеблются с магнитным полем или без него. Движение электронов вокруг своих атомов изменялось в поле, создавая диамагнитные моменты, когда присутствовали фононы.
Эти моменты затем отреагировали на поле и замедлили перенос тепла, подобно вихретоковому тормозу в поезде.Моделирование проводилось на Oakley Cluster, системе HP / Intel Xeon с более чем 8300 процессорными ядрами, чтобы обеспечить исследователям пиковую производительность 154 терафлопс — с технической точки зрения — 154 триллиона вычислений в секунду. Поскольку атомы могут колебаться по-разному, потребовалось большое количество симуляций, потребляющих примерно 1,5 миллиона процессорных часов даже на такой мощной машине, как Oakley.
Инженеры OSC также помогли исследовательской группе использовать высокопроизводительную параллельную файловую систему OSC для обработки огромных наборов данных, созданных с помощью модели DFT.«OSC предложили нам феноменальную поддержку; они поддержали наши проблемы с компиляцией и параллельной потоковой передачей, помогли нам устранить проблемы с оборудованием, когда они возникали из-за требований кода, и перевели нас на высокопроизводительную файловую систему Lustre после того, как мы заблокировали их обычную файловую систему», — сказал Антолин, эксперт по вычислениям с высокими требованиями в группе Виндла.«Доктор Виндл и его команда являются важными клиентами OSC, и мы всегда рады поддержать их исследовательские проекты с помощью нашего оборудования, программного обеспечения и услуг по поддержке персонала», — сказал Дэвид Худак, доктор философии, директор OSC по суперкомпьютерным услугам. «С добавлением Ruby Cluster прошлой осенью и еще одной, гораздо более мощной системой, которая появится этой осенью, OSC продолжит предлагать еще более крупные, быстрые и более мощные услуги для поддержки этого типа открытий и инноваций».
Затем группа планирует проверить, могут ли они отклонять звуковые волны в сторону с помощью магнитных полей.