Tulevaisuuden materiaalit löytyvät tietokoneiden avulla (Väitös: FM Henrik Levämäki, 13.1.2018, teoreettinen fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 8.1.2018

Tietokoneiden alati kasvava laskentakapasiteetti mahdollistaa enenevissä määrin fysiikan lakien tarkan simuloimisen tietokoneella. Kemian ja fysiikan aloilla suosituimmaksi molekyylien ja materiaalien simulointimenetelmäksi on noussut tiheysfunktionaaliteoria eli DFT.

– On sanottu, että DFT tekee mahdottoman matematiikan helpoksi. DFT:n vuonna 1964 kehittänyt Walter Kohn saikin vuoden 1998 kemian Nobelin palkinnon, Henrik Levämäki sanoo.

Kvanttimekaniikan lait ovat tunnetusti kimurantteja, ja DFT:ssä niitä kuvaa niin kutsuttu vaihto-korrelaatiotermi eli XC-termi. XC-termin tarkkaa matemaattista muotoa ei tunneta, joten käytännön laskuissa XC-termille on aina käytettävä jotain likimääräistä muotoa eli approksimaatiota. Levämäki esittää väitöskirjassaan uudenlaisen XC-approksimaation, joka parantaa DFT:n tarkkuutta metalliseoksia mallinnettaessa.

Väittelijä pyrkii parantamaan laskennan tarkkuutta

Levämäen mukaan DFT ei ole ainakaan vielä oikotie onneen, sillä nykyisten XC-approksimaatioiden puutteellisuuden johdosta ennen laskujen aloittamista joutuu valitsemaan tinkiikö tarkkuudesta vai nopeudesta.

– On mahdollista tehdä erittäin tarkkoja laskuja, mutta ne voidaan järjellisessä ajassa suorittaa ainoastaan hyvin yksinkertaisille systeemeille, kuten yksittäisille atomeille tai pienille molekyyleille. Toisaalta, kun halutaan mallintaa mitään makroskooppisempaa, laskuja on pakko nopeuttaa, mikä tarkoittaa sitä, että tarkkuudesta joudutaan tinkimään heti, ja merkittävissä määrin, Levämäki kertoo.

Tulevaisuudessa DFT:tä tulisi Levämäen mukaan kehittää sellaiseen muotoon, joka nykyistä paremmin yhdistäisi tarkkuuden ja nopeuden parhaat puolet. Levämäen väitöskirjassaan esittämät tulokset ovat askel kohti tätä maalia.

– Kehittämäni XC-approksimaatio pystyy mallintamaan metalliseoksia huomattavasti paremmalla tarkkuudella kuin nykyisin käytössä olevat niin sanotut GGA-approksimaatiot ilman, että laskut hidastuisivat oleellisesti. Lyhyesti sanottuna ideana on jaotella lasku XC-approksimaation kannalta fysikaalisesti järkeviin osiin ja laskea osat erikseen, jolloin yksi vaikea ongelma ikään kuin pilkkoutuu muutamaksi paljon helpommaksi ongelmaksi, Levämäki sanoo.

Levämäen mukaan laskennallisia menetelmiä tarvitaan, sillä tietokoneella laskiessa ei tarvitse välittää perinteisiä kokeita piinaavista reaalimaailman rajoituksista. Kokeiden ja mittausten tekeminen onkin perinteinen tapa selvittää ilmiöiden todellinen luonne, mutta monissa tapauksissa koe on liian kallis tai mahdoton toteuttaa käytännössä. 

– DFT:n merkitys fysiikan ja kemian aloilla on suuri, ja vuosittain julkaistaankin peräti noin 30 000 tieteellistä artikkelia, joissa on hyödynnetty DFT:tä. Siksi DFT:n ja eritoten XC-termin kehittämiseen uhrataan lukemattomia työtunteja, mukaan lukien minun väitöskirjani, Levämäki toteaa.

***

FM Henrik Levämäki esittää väitöskirjansa Developing Exchange-Correlation and Kinetic Energy Functional Approximations for Density Functional Theory julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 13.1.2018 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii tohtori Ann E. Mattsson (Los Alamos National Laboratory, Yhdysvallat) ja kustoksena professori Kalevi Kokko (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Henrik Levämäki on syntynyt vuonna 1987 ja kirjoitti ylioppilaaksi Aurajoen lukiossa Turussa vuonna 2006. Korkeakoulututkintonsa (FM) Levämäki suoritti Turun yliopistossa vuonna 2013. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka. Levämäki työskentelee Turun yliopistossa tohtorikoulutettavana.

Väittelijän yhteystiedot: p. 044 3780 916, hpleva@utu.fi

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/levamaki_henrik.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7100-8