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25 Jahre Car-Parrinello Methode
Vor 25 Jahren entwickelten die beiden jungen Wissenschaftler Roberto Car und Michele Parrinello durch fachliches Know-how, gepaart mit Enthusiasmus und einer gesunden Portion Naivität, eine bahnbrechende Methode für die Computersimulation.
Im intellektuellen Umfeld an der Adria bot sich in den 80er Jahren die Möglichkeit, frei und unbefangen zu forschen – so zum Beispiel am Internationalen Zentrum für Theoretische Physik (ICTP) und an der Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) in Triest. Hier trafen vor 25 Jahren der Forscherdrang der beiden Professoren Roberto Car und Michele Parrinello, gepaart mit einer gesunden Portion Naivität, aufeinander. Diese Umstände waren nicht unwesentlich für die Entwicklung der nach ihnen benannten Car-Parrinello Methode. Die Methode veränderte den Zugang zu Simulationen grundlegend und unterstützte damit auch Theorie und Experiment. Sei es in den Materialwissenschaften, der Biologie und den Geowissenschaften: Überall dort, wo keine Versuche mehr möglich sind, weil sie entweder zu gefährlich sind oder es unmöglich ist, die dazu erforderlichen Bedingungen nachzustellen, muss auf Simulationen zurückgegriffen werden.
Materie erfassen
In der Methode vereinigten die beiden Physiker ihre jeweiligen Spezialgebiete. Parrinello hat während seiner Zeit an der SISSA, inspiriert durch einen Aufenthalt in den USA, seine bisherigen Studien mit Bleistift und Papier gegen den Computer ausgetauscht. Mit dessen Hilfe wollte er die Materie, die uns umgibt, über die Bewegung der Atome anhand der klassischen Molekulardynamik beschreiben. Hierfür müssen Computer auf der Basis bestimmter Codes und Algorithmen unermüdlich quantenmechanische Gleichungen unterschiedlicher Komplexität lösen.
In den 80er Jahren wurde die Dynamik der Moleküle empirisch berechnet, obwohl es mit der sogenannten Born-Oppenheimer-Näherung (BO-Näherung) theoretisch möglich war, «ab inito», das heisst ohne konkrete Messergebnisse, die realen quantenmechanischen Molekül-Zustände näherungsweise zu berechnen. Das BO-Näherungsverfahren war jedoch zeitintensiv und bedurfte einer Rechnerleistung, wie sie damals noch nicht zur Verfügung stand: In den 1980er Jahren lag die Rechenpower eines «Hochleistungsrechners» bei einigen Gigaflop – ein Prozessor eines herkömmlichen PCs schafft heute bis zu 25 Gigaflop (25 Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde).
Reales Bild mit «ab initio»
Es ist jedoch nur «ab initio» möglich, im Modell abzubilden, was bei einer chemischen Reaktion passiert, da nur so die realen Kräfte, die auf ein Atom wirken, in die Modellierung einfliessen. Das heisst, um darstellen zu können, wie chemische Verbindungen aufbrechen und neue entstehen, muss die Struktur der Elektronen, deren Energiezustand, für jede Position des Ions mit einer quantenmechanischen Gleichung ermittelt werden. Die Berechnung der Elektronenstruktur war Roberto Cars Spezialgebiet.
«Ignoranz ist manchmal ein Segen», scherzt Parrinello, der seit 2001 Professor an der ETH Zürich ist. Die beiden Wissenschaftler Car und Parrinello sahen nämlich über die Experten-Meinungen hinweg, die ihr Vorhaben für unmöglich hielten, sowohl die Molekulardynamik wie auch die Elektronenstruktur in einem einzigen Verfahren zu berechnen. Das hiess, die Born-Oppenheimer-Näherung mit der sogenannten quantenmechanischen Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche die Struktur der Elektronen im Ion bestimmt, zu kombinieren. «Wir wussten zwar einiges vom Fachgebiet des anderen, jedoch wohl nicht genug. Sonst hätten auch wir es vermutlich für unmöglich gehalten, beides in einer Methode zu kombinieren», erinnert sich Parrinello.
Mit einem Trick zum Erfolg
Antrieb für Parrinello war, das Element Silizium zu beschreiben. Silizium weist unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen sowohl die Eigenschaften von Metallen wie auch von Nichtmetallen auf und ist ein wichtiger Halbleiter. Da diese Veränderungen durch chemische Reaktionen mit der Born-Oppenheimer-Näherung und der damals zur Verfügung stehenden Rechnerleistungen nicht ermittelt werden konnten, griffen die beiden Wissenschaftler zu einem «Trick»: Sie erweiterten die sogenannte Lagrange-Funktion zur Beschreibung eines physikalischen Systems, sodass nicht jede Position des Ions und die wirkenden Kräfte Schritt für Schritt berechnet werden mussten. Mit der Car-Parrinello Methode müssen zu Beginn der Simulation einmal die Kräfte bestimmt werden, während sich später das Ion mit seinen Elektronen wie eine Welle fortpflanzen. Das Elektron folgt quasi adiabatisch, ohne Austausch mit seiner Umgebung, dem Ion.
Damit war eine quantenmechanische Berechnung der Molekül-Zustände – «ab inito» – erstmals gelungen. Die Car-Parrinello Methode wurde über die Jahre für unterschiedliche Anwendungen weiterentwickelt und verfeinert und lieferte viele wichtige Erkenntnisse in unterschiedlichen Forschungsdisziplinen. Mit der Car-Parrinello Methode gelang es beispielsweise dem ehemaligen ETH-Professor Artem Oganov, während seiner Zeit an der ETH Zürich zu zeigen, dass die untersten 150 Kilometer des Erdmantels nicht – wie bis dahin angenommen – aus dem Mineral Perowskit bestehen, sondern aus einer modifizierten, geschichteten Art, die Oganov als Post-Perowskit bezeichnete. Die Eigenschaften des bis dahin unbekannten Minerals konnten die seismische Diskontinuität, die aus diesem Bereich bekannt ist, erstmals schlüssig erklären.
Im Laufe der Jahre wurden die beiden Wissenschaftler für ihre Entwicklung mit mehreren hochdotierten Preisen ausgezeichnet, unter anderem erhielten sie 2009 die Dirac-Medaille. Heute ist die vor 25 Jahren in den «Physical Review Letters» erschienene Publikation der Methode eine der meistzitierten interdisziplinären Publikationen überhaupt, heisst es in der Festschrift zu Parrinellos 60. Geburtstag im Jahr 2005.
Methode mit Langzeitwirkung
Mit der enorm angestiegenen Leistung
der Computer im letzten Jahrzehnt ist die Methode zwar nicht mehr so essentiell
wie vor 20 Jahren, trotzdem ist sie auch heute noch in der Forschung aktuell. Alessandro
Curioni, Leiter der Gruppe Computational Science am
IBM-Forschungslabor in Rüschlikon, der mit der Methode arbeitet und sie
selbst in Zusammenarbeit mit Parrinello und anderen Forschern
weiterentwickelte, betont die Bedeutung der Car-Parrinello Methode für die Molekulardynamik.
Ein wichtiger Nebeneffekt sei auch gewesen zu sehen, wie der kleine «Trick» von
Car und Parrinello ein grosses Problem gelöst habe – dies habe die Geisteshaltung der Wissenschaftler geprägt
und ihnen neue Horizonte eröffnet. «Langfristig werden die vielen Ideen, welche
die Car-Parrinello Methode für neue quantenmechanische Lösungsansätze lieferte,
vermutlich von noch grösserer Bedeutung sein als die Methode selbst», sagt
Curioni.
Zur Person:
Der
Physiker Michele Parrinello ist seit dem 1. Juli 2001 Professor für Computational
Science an der ETH Zürich und war bis März 2003 Direktor des Nationalen
Hochleistungsrechenzentrums der Schweiz (CSCS) in Manno, Tessin. Seine
wissenschaftliche Karriere startete als ordentlicher Professor an der SISSA in
Triest, von wo er ans IBM Forschungslabor in Rüschlikon wechselte und im
Anschluss daran Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in
Stuttgart wurde. Der gebürtige Sizilianer hat ab 2011 eine Doppelprofessur an
der ETH Zürich und der Università della Svizzera italiana in Lugano.Für
seine Arbeiten wurde er mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, darunter den
Preis für theoretische Chemie 2001 der American Chemical Society, der
Rahman-Preis 1995 der American Physical Society und der Hewlett-Packard-Preis
1990 der European Physical Society. Im Jahr 2009 erhielt er die Dirac-Medaille.
Er ist auswärtiges Mitglied des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung,
sowie Fellow der American Physical Society und Mitglied der International
Academy of Quantum Molecular Science und der Berlin-Brandenburgischen Akademie
der Wissenschaften.
Literaturhinweise:
Car R & Parrinello M: Unified Approach for Molecular Dynamics and Density-Functional Theory, Phys. Rev. Lett. 55, 2471–2474 (1985) DOI: 10.1103/PhysRevLett.55.2471
- 23.10.11: Car-Parrinello method: Among the best