ThEory and Advanced Modelling - TEAM

Attività Scientifica

Simulazioni, Materiali, Teoria e Software:Yambo
Queste quattro aree ben rappresentano le  numerose attività teorico/computazionali del laboratorio di Theory and Simulation. Queste attività coprono un ampio spettro di simulazioni della dinamica e caratterizzazione di varie tipologie di fenomeni e materiali. Le diverse expertises dei componenti del laboratorio vanno dall’uso di teorie avanzate fino allo sviluppo di codici avanzati di simulazione numerica. Questa varietà permette al laboratorio di poter studiare e predire le proprietà all'equilibrio e/o in stato eccitato di un sistema sia in uno stato steady-state che fuori dall’equilibrio.
Le attività del laboratorio si trovano, così, al confine delle applicazioni e teorie più avanzate come dimostrano sia le collaborazioni in essere che le numerose pubblicazioni.  
Il laboratorio, inoltre, e’ in costante contatto con collaboratori esterni e gruppi sperimentali, ai quali offre, anche con il supporto di user infrastructures Europee, servizi di calcolo e simulazione. Tra questi servizi va menzionato il progetto Yambo, che e’ ad oggi, un codice scientifico conosciuto a livello mondiale, interamente sviluppato dall’istituto, con una storia ormai decennale di scuole e sviluppo.
 

Simulazioni ed Analisi

Questa attività del laboratorio Theory and Simulation coinvolge numerosi ricercatori, interessati a studi teorici finalizzati a essere un valido supporto nell’analisi e nella comprensione dei risultati sperimentali.
Le applicazioni degli studi teorici spaziano dalla spettroscopia di fotoemissione, alla spettroscopia di core, alla spettroscopia IR, RAMAN, TR-ARPES e alle spettroscopie di superficie dove si riescono a riprodurre proprietà ottiche ed elettroniche dei materiali.
L’utilizzo di diversi metodi di calcolo permette di ottenere informazioni utili e confrontabili con risultati sperimentali: è proprio la capacità di mettere in relazione sempre i calcoli teorici con gli esperimenti l’elemento comune all’interno dell’attività del laboratorio.
I prodotti della ricerca evidenziano le applicazioni più varie e la capacità del laboratorio di inserirsi in ambiti sempre diversi.

 

 

Materiali

Il Laboratorio Theory and Simulation ISM ha sviluppato competenze specifiche in diversi settori di interesse tecnologico e di ricerca basata sui materiali.Ciò comporta l'applicazione delle competenze tecniche e del know-how (descritti sopra in Simulazione e Analisi) che servono per affrontare nuove sfide nella scienza dei materiali e che sono di interesse per l'Istituto e per i nostri numerosi collaboratori. Gli argomenti spaziano dai materiali cristallini, amorfi, e difettosi, fino alla materia soffice, le nanostrutture e i sistemi molecolari.
Nello specifico questi includono (ma non sono limitati a): semiconduttori magnetici diluiti; cristalli drogati con idrogeno; superfici, interfacce organiche e inorganiche, materiali 2D e stratificati; ossidi amorfi; cristalli fotonici di reticoli isotropi / uniassiali unidimensionali; e superconduttori.

 

 

Novel/Advanced Phenomena and Theory

L’attività di ricerca su questo argomento si propone di esplorare e modellizare nuovi fenomeni alla frontiera tra fisica e chimica. Esempio di queste linea di ricerca sono: i) la modellizazione a livello atomistico di proprietà dinamiche e strutturali con tecniche di simulazione con in-house hardware basata su Dinamica Molecolare Classica e Reverse Quantum Monte Carlo guidato da X-Ray/Scattering di neutroni ; ii) la modellizazione di generazioni di hot-phonons nella dinamica ultraveloce di esperimenti pump-probe in materiali complessi; iii) lo studio di reattivita’ quantistica in condizioni ultrafredde con tecniche di dinamica non-adiabatica di wave-packet e metodi ab-initio di dinamica ipersferica.

 

 

YAMBO

Yambo è un progetto open source volto a studiare le proprietà dello stato eccitato dei sistemi di materia condensata dai primi principi usando metodi a molti corpi. Come input, yambo richiede i dati della struttura elettronica dello stato fondamentale calcolati da codici come Quantum ESPRESSO ed Abinit. Le capacità di yambo includono il calcolo della risposta lineare, correzioni di quasi-particelle di quantità basate sul formalismo GW, assorbimento ottico e altre quantità spettroscopiche.
Gli sviluppi recenti vanno dall'inclusione di effetti fisici importanti ma spesso trascurati come le interazioni elettrone-fonone all'implementazione di uno schema di propagazione in tempo reale per la simulazione di proprietà ottiche lineari e non lineari.
Yambo è codificato con un'efficiente struttura parallela che consente di sfruttare architetture di elaborazione e schede GPU moderne ad alte prestazioni. Inoltre è possibile automatizzare i flussi di lavoro interfacciarsi con gli strumenti software yambopy e AiiDA.

 

 

Strumentazioni

• Gromacs-dedicated workstation with two 8C (Xeon E5-2630 v3) and four GTX980 GPUs.
• EPSR (RMC)-dedicated workstation with 12C.
• 9-nodes HCP cluster (Dual Xeon E5-2683 v2):  InfiniBand connected, 256C.
• 48C Xeon Quantum Chemistry dedicated server
• 4 Xeon based standalone servers
• Distributed file system resources

Collaborazioni

• Structural & Electronic Surface Dynamics group, Berlin (Germany), time-resolved ARPES.  
  Universita’ di Roma Tor Vergata, Prof. G. Stefanucci e E. Perfetto.
  Femtosecond laser laboratory (STRATUS), Politecnico di Milano, Prof. G. Cerullo. Time resolved absorption.
• Universita' della Tuscia (Viterbo) nell'ambito delle simulazioni di dinamica molecolare di biomolecole complesse in interazione con solventi e substrati. Collaboratore : Stefano Borocci 
• Universita' Sapienza, nell'ambito dello studio delle dinamiche di interazione tra ioni radicali e molecole nelle alte atmosfere.
  Collaboratori : Antonella Cartoni     
• Universita’ degli studi di Perugia, reattivita’ quantistica ipersferica di reazioni chimiche elementari.
  Collaboratori: Vincenzo Aquilanti e Simonetta Cavalli
• Universidad de los Pais Vascos, proprieta’ dei Poli di Regge e effetti di risonanza sulla reattivita’ chimica.
  Collaboratori: Dmitri Sokolovski
• Universidad Autonoma de Madrid: Superfici di Energia Potenziale fondamentali, eccitate  e loro interazioni.
  Collaboratori: Alfredo Aguado
• Istituto dei Processi Chimico Fisici, CNR Pisa, dinamica non adiabatica con metodi dipendenti dal tempo
  Collaboratori: Carlo Petrongolo
• ISAS-Berlin; TU-Berlin; Univ. Munster (Germania): assorbimento di carbeni su semiconduttori
  Collaboratori: Norbert Esser, Mario Dahne, Frank Glorius
• Univ. Giessen; Univ. Paderborn (Germania): Proprieta’ elettroniche ed ottiche di superfici nanostrutturati di Si-Au
  Collaboratori: Simone Sanna, Wolf Gero Schmidt
• Universita’ di Milano-Bicocca: assorbimento di porfirine su superfici
  Collaborators: Marcello Campione, Adele Sassella
• Paris Institute of Nanoscience (INSP); Aix Marseille Université: Silicene
  Collaborators: Geoffroy Prevot, Yves Borensztein, Laurence Masson

Yambo development

• CNR-NANO Institute, Modena (Italia)
• Atomistic Simulation Centre, School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast
• International Iberian Nanotechnology Laboratory: Braga (Portugal)
• CNRS / CINaM  Aix-Marseille Université.
• Cineca, HPC department
• Theory and Simulation of Materials (THEOS), National Centre for Computational Design and Discovery of Novel Materials (MARVEL), École Polytechnique Fédérale de Lausanne