Modelos por ordenador 10.000 veces más rápidos

Un nuevo algoritmo permite a los ordenadores calcular el comportamiento
de los electrones en diferentes materiales hasta 10.000 veces más
rápido que los métodos disponibles en la actualidad. El trabajo se basa
en una teoría de la física cuántica que ha estado dando vueltas entre
los físicos desde hace más de 80 años. Los ingenieros de Princeton
resolvieron cómo calcular la energía de los electrones en movimiento
sobre la base de cómo se distribuyen en el seno de un material
desconocido, lo que podría acelerar las innovaciones tecnológicas
relacionadas con los aparatos electrónicos y los vehículos
energéticamente eficientes.


Un nuevo algoritmo podría permitir realizar los cálculos necesarios
para elaborar las simulaciones de nuevos materiales hasta 10.000 veces
más rápido que en la actualidad. Los científicos de Princeton,
dirigidos por la ingeniero Emily Carter, hallaron este modelo
resolviendo un problema planteado por la física cuántica hace mas de 80
años. En efecto, Llewellyn Hilleth Thomas y el premio Nobel Enrico
Fermi, en 1927, elaboraron una teoría que entre otras cosas predecía
que sería posible calcular la energía de los electrones en movimiento
en el interior de un material simplemente sabiendo de que forma se
distribuyen en el seno del mismo. Dicho en otras palabras, a partir de
los datos de la energía cinética de los electrones en un nuevo material
se podrían simular sus propiedades y conocer de que forma respondería
al estrés físico o al paso de una corriente electrica.


Originalmente, las ecuaciones elaboradas por Thomas y Fermi se
aplicaban a un gas teórico en el que los electrones estaban
distribuidos de manera uniforme, algo imposible de encontrar en los
materiales reales. Pero Pierre Hohenberg y Walter Kohn (también
galardonado con el premio Nobel) lograron demostrar en 1964 que la
ecuación de Thomas-Fermi se podría aplicar a los materiales reales,
aunque fueron incapaces de ir más allá de la demostración teórica de la
viabilidad de la ecuación. A lo largo de las ultimas décadas los
investigadores han elaborado modelos que intentaban calcular la energía
de cada átomo para simular la forma en que se comportaría un material
determinado. Pero cuando la cantidad de átomos a simular superan
algunos centenares, incluso los más potentes superordenadores carecen
de la potencia necesaria para terminar su trabajo en un tiempo
razonable. Esta situación limita -y mucho- la variedad de materiales
que los investigadores pueden simular exitosamente. Hasta ahora.

El trabajo del equipo de ingenieros de Princeton consistió en mejorar
la ecuación de Thomas-Fermi para desarrollar un modelo capaz de simular
materiales reales. En lugar de aplicarse a un gas teórico, su formula
puede predecir la energía cinética de cada electrón dentro de -por
ejemplo- un metal. Además, lograron que el modelo sea válido para los
materiales semiconductores, los mismos que hacen posible todas las
maravillas de la electrónica moderna. La posibilidad de simular en un
ordenador el comportamiento de los electrones de nuevos tipos de
semiconductores permitirá -en el corto plazo- el desarrollo de
materiales para la construcción de circuitos integrados. Emily Carter
dice que “las ecuaciones científicas que usábamos hasta ahora eran
ineficientes y consumían enormes cantidades de recursos informáticos,
por lo que nos limitamos a modelar unos pocos cientos de átomos de un
material perfecto”. Sin embargo, el nuevo algoritmo derivado del
trabajo de Thomas y Fermi cambiará eso. “Actualmente, las propiedades
más importantes de un material son determinadas por sus defectos, y
hace falta simular cientos o decenas de miles de átomos para que estos
resulten evidentes. Con este nuevo sistema, podremos modelar hasta un
hasta un millón de átomos, acercándonos a las propiedades reales de un
material”.


Si el equipo de Carter está en lo cierto, y nada hace suponer lo
contrario, en los próximos 4 o 5 años veremos un nuevo florecimiento de
la industria del semiconductor, gracias a los nuevos materiales que
surgirán de la imaginación de los físicos y que podrán ser modelados
gracias a este algoritmo. ¿Estás preparado?