Mit Versuch und Irrtum alleine kommt man oft nicht weit. Sucht man nach neuen Werkstoffen, zum Beispiel nach Materialien, die ganz besondere elektromagnetische oder thermische Eigenschaften haben, muss man die Materialphysik auf Quanten-Ebene verstehen. Das komplizierte Zusammenspiel der Atome eines Festkörpers und ganz besonders das Verhalten seiner Elektronen legen seine Eigenschaften fest.

Berechnen kann man das nur mit großem Aufwand. Oft werden für solche Berechnungen besonders leistungsfähige Computercluster mit tausenden Prozessorkernen verwendet. Die Universität Wien und die TU Wien liefern seit Jahren wichtige Beiträge für den Forschungsbereich der computergestützten Materialforschung. Im Rahmen des Spezialforschungsbereichs „ViCom“ (Vienna Computational Materials Laboratory), gefördert vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, werden neue Computermethoden entwickelt, verbessert und angewandt. Vom 26. bis 28. Februar findet nun in Wien die ViCoM-Konferenz „From Electrons to Phase Transitions“ statt, an der prominente Vortragende aus der ganzen Welt teilnehmen werden.

Kompetenzcluster mit Weltruhm
„Dass es in Wien mittlerweile so viele international angesehene Forschungsgruppen in diesem Bereich gibt, ist für uns alle ein großer Vorteil“, ist Prof. Karsten Held, einer der Principal Investigators des ViCom-Projektes, überzeugt. „In diesem Bereich haben wir eine kritische Masse erreicht, sodass wir nun weltweit als ein wichtiges internationales Zentrum der computergestützten Materialwissenschaft wahrgenommen werden. Dadurch ist es auch viel leichter möglich, neue hervorragende Leute aus dem Ausland nach Wien zu holen.“

Für viele Anwendungen ist es von großer Bedeutung, die elektronische Bandstruktur eines Materials zu kennen – auch sie lässt sich für gegebene Materialien am Computer berechnen. Die Bandstruktur gibt Auskunft darüber, welche Energien die Elektronen in einem Material überhaupt annehmen können. Das wiederum entscheidet über viele physikalische Materialeigenschaften – etwa die Transparenz oder die elektrische Leitfähigkeit.

Die Elektronen in einem Festkörper üben aufeinander Kräfte aus, ähnlich wie die Himmelskörper in einem Sonnensystem. Allerdings gibt es einen fundamentalen Unterschied zwischen Elektronen und makroskopischen Objekten: Elektronen können sich in einem Zustand befinden, indem es keinen Sinn mehr macht, sie einzeln zu beschreiben, sie bilden gemeinsam ein quantenphysikalisches Objekt, das sich nur im Ganzen verstehen lässt. Man bezeichnet solche Elektronen als „hoch korreliert“.

Mathematisch sind solche Zustände sehr schwer zu beschreiben. Einige der leistungsfähigsten Großrechner der Welt werden verwendet, um hinter die physikalischen Geheimnisse hoch korrelierter Elektronen zu kommen. Viele spannende Effekte wie etwa die Hochtemperatur-Supraleitung sind nur mit Berücksichtigung solcher Quanten-Korrelationen zu verstehen.

Computercodes als Exporthit
Heute gibt es eine Reihe von mathematischen Methoden, die dazu dienen, in großen Computersimulationen Materialforschung zu betreiben - etwa die Dichtefunktionaltheorie, für die 1998 der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde. Doch für viele Anwendungen müssen die bestehenden Methoden erweitert und abgewandelt werden. „Bei uns gibt es eine sehr erfolgreiche Tradition der Methodenentwicklung“, betont Held. So wurden von den Wiener Materialforschungs-Teams etwa die Software „Wien2k“ (Dichtefunktionaltheorie) oder auch das Programmpaket VASP (Vienna ab-initio Simulation Package – Dichtefunktionaltheorie und Hartree-Fock) entwickelt. Beide Produkte wurden in die ganze Welt verkauft und werden mit großem Erfolg angewandt.

Doch nicht immer sind es die quantenphysikalischen Elektroneneigenschaften, die man in der Materialphysik verstehen muss. Wie interagieren Teilchen in einer Flüssigkeit? Was geschieht, wenn winzige Kolloide, etwa die Fetttröpfchen in Milch, die Eigenschaften einer Substanz bestimmen? Wie müssen Teilchen beschaffen sein, damit sie sich ganz von alleine zu komplizierten, dreidimensionalen Strukturen zusammenfinden? Auch solche Fragen lassen sich heute mit Computermethoden erforschen. Werkstoffwissenschafter sind oft an den makroskopischen Eigenschaften eines Materials interessiert – sie brauchen ein mehrstufiges Beschreibungssystem, das die Brücke von den einzelnen Atomen bis hin zum makroskopischen Werkstück umfasst.

„All diese Forschungserfolge wären völlig unmöglich, wenn wir nicht Zugang zu erstklassigen Computerressourcen hätten“, sagt Held. Der VSC spielt für die computergestützte Materialforschung eine ganz entscheidende Rolle. Zweifellos ist dieses Forschungsgebiet eines, das die Möglichkeiten moderner Computercluster bis an die Grenzen ausreizt: Egal wie gut und modern ein Großrechner ist – Ideen für Simulationen, die noch ein bisschen mehr Rechenpower bräuchten, gibt es immer.

Internationale Konferenz in Wien
Bei der ViCoM-Konferenz „From Electrons to Phase Transitions“ vom 26. bis 28. Februar, die von TU Wien und Universität Wien gemeinsam organisiert wurde, diskutieren zahlreiche Vortragende und Gäste aus der ganzen Welt Berechnungsmethoden für die Materialforschung. Neue Ideen von der Dichtefunktionaltheorie bis zur Weichen Materie und spannende Anwendungsmöglichkeiten werden diskutiert. Mehr Informationen und das Konferenzprogramm findet man unter www.sfb-vicom.at/conference-2014-from-electrons-to-phase-transitions, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster