Vortex Mengejutkan Terungkap – Superkomputer Mengungkap Rahasia Tersembunyi Teknologi Tenaga Surya
Polaron lubang besar mirip Skyrmion dalam perovskit ganda halida Cs2AgBiBr6. Anak panah menunjukkan perpindahan atom, dan lubang berada di pusat pusaran ini. Medan perpindahan memiliki karakter topologi yang jelas, dengan muatan topologi integer dan vortisitas. Kredit: J. Lafuente-Bartolome
Simulasi pada superkomputer TACC Frontera dan Lonestar6 mengungkap pusaran topologi dalam kuasipartikel polaron.
Dalam dekade terakhir, perovskit halida logam telah berkembang pesat sebagai semikonduktor, melampaui silikon dalam kemampuannya mengubah cahaya menjadi arus listrik sejak penemuan awal.
Simulasi pada superkomputer Frontera dan Lonestar6 milik TACC telah mengungkap struktur pusaran yang mengejutkan dalam kuasipartikel elektron dan atom, yang disebut polaron, yang berkontribusi dalam menghasilkan listrik dari sinar matahari.
Penemuan baru ini dapat membantu para ilmuwan mengembangkan sel surya dan lampu LED baru. Jenis lampu ini dipuji sebagai teknologi ramah lingkungan dan berkelanjutan yang dapat mengubah masa depan pencahayaan.
“Kami menemukan bahwa elektron membentuk paket gelombang sempit yang terlokalisasi, yang dikenal sebagai polaron. 'Gumpalan muatan' ini — polaron kuasipartikel — memberi perovskit sifat-sifat yang unik,” kata Feliciano Giustino, profesor Fisika dan Ketua WA 'Tex' Moncrief, Jr. Bidang Teknik Materials Kuantum di Faculty of Pure Sciences dan staf pengajar inti di Oden Institute for Computational Engineering and Sciences (Oden Institute) di UT Austin.
Giustino adalah salah satu penulis penelitian tentang polaron yang ditemukan dalam perovskit halida yang baru-baru ini diterbitkan di Prosiding dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
“Polaron-polaron ini menunjukkan pola yang sangat menarik. Atom-atom berputar mengelilingi elektron dan membentuk pusaran yang belum pernah diamati sebelumnya,” kata Giustino, yang juga merupakan direktur Pusat Rekayasa Materials Kuantum di Institut Oden.
Struktur pusaran polaron dapat membantu elektron tetap berada dalam keadaan tereksitasi, yang terjadi ketika foton cahaya menghantam senyawa pada tingkat atom.
“Kami menduga bahwa struktur pusaran aneh ini mencegah elektron kembali ke tingkat energi yang tidak tereksitasi,” jelas Giustino. “Pusaran ini adalah struktur topologi terlindungi dalam materials kisi perovskit halida yang tetap berada di tempatnya untuk waktu yang lama dan memungkinkan elektron mengalir tanpa kehilangan energi.”
Konteks Sejarah dan Efisiensi Perovskit
Struktur perovskit merupakan jenis materials yang telah dikenal selama lebih dari satu abad ketika Gustav Rose menemukan perovskit kalsium titanium oksida CaTiO3 pada tahun 1839. Baru-baru ini, pada tahun 2012 Giustino bekerja sama dengan sekelompok ilmuwan Universitas Oxford Henry Snaith yang menemukan jenis perovskit baru yang disebut perovskit halida — di mana alih-alih oksigen terdapat halogen, unsur-unsur yang membentuk garam ketika bereaksi dengan logam.
“Ternyata perovskit halida dalam sel surya menunjukkan efisiensi konversi energi yang luar biasa,” kata Giustino.
Sebagai perbandingan, efisiensi tertinggi silikon adalah sekitar 25 persen, yang berarti bahwa dari semua energi yang berasal dari matahari, seperempatnya diubah menjadi listrik. Untuk mencapai efisiensi 25 persen, silikon membutuhkan waktu pengembangan sekitar 70 tahun. Di sisi lain, perovskit halida berhasil mencapai efisiensi 25 persen hanya dalam waktu 10 tahun.
Superkomputer Frontera (kiri) dan Lonestar6 (kanan) di Texas Superior Computing Middle di College of Texas di Austin. Kredit: TACC
“Ini adalah materials revolusioner,” kata Giustino. “Itu menjelaskan mengapa banyak kelompok penelitian yang bekerja di bidang fotovoltaik beralih ke perovskit, karena bahan ini sangat menjanjikan. Kontribusi kami mengamati dasar-dasarnya menggunakan metode komputasi untuk menyelidiki sifat-sifat senyawa ini pada tingkat atom individu.”
Untuk penelitian tersebut, Giustino menggunakan alokasi pada superkomputer Lonestar6 dan Frontera yang diberikan oleh Texas Superior Computing Middle (TACC), serta superkomputer Departemen Energi AS (DOE) di Nationwide Power Analysis Scientific Computing Middle (NERSC).
“Penelitian ini merupakan bagian dari proyek yang disponsori oleh Departemen Energi yang telah berlangsung selama beberapa tahun dengan dukungan TACC dan khususnya Frontera, di mana kami mengembangkan metodologi untuk mempelajari bagaimana elektron berinteraksi dengan kisi atom yang mendasarinya,” kata Giustino.
Misalnya, Giustino mengatakan dalam kasus perovskit halida, polaron besar yang mereka temukan memerlukan sel simulasi sekitar setengah juta atom, yang tidak mungkin dipelajari dengan metode standar.
Kolaborasi dan Aplikasi Masa Depan
Untuk mengelola kalkulasi ini pada komputer tremendous, Giustino dan rekan-rekannya di Austin dan sekitarnya mengembangkan EPW, kode Fortran sumber terbuka dan kode antarmuka penyampaian pesan yang menghitung properti yang terkait dengan interaksi elektron-fonon. Kode EPW mengkhususkan diri dalam mempelajari bagaimana elektron berinteraksi dengan getaran dalam kisi padatan, yang menyebabkan pembentukan polaron. Kode ini saat ini dikembangkan oleh kolaborasi internasional yang dipimpin oleh Giustino.
“Kolaborasi kami dengan TACC lebih dari sekadar menggunakan sumber daya komputasi tingkat lanjut,” kata Giustino. “Bagian terpenting adalah interaksi dengan orang-orang. Mereka sangat penting dalam membantu kami membuat profil kode dan memastikan kami menghindari hambatan dengan menerapkan alat pembuatan profil yang membantu kami mempelajari penurunan kinerja. Sebagian besar pekerjaan yang dilakukan pada kode EPW merupakan hasil kerja sama dengan para ahli TACC yang membantu kami meningkatkan penskalaan kode untuk mendapatkan kinerja optimum pada superkomputer.”
Penelitian polaron Giustino telah dipilih sebagai bagian dari program Aplikasi Sains Karakteristik (CSA) TACC yang didanai oleh Nationwide Science Basis (NSF). Sekitar selusin proyek CSA akan menginformasikan desain Fasilitas Komputasi Kelas Kepemimpinan NSF berikutnya, yang disebut Horizon, yang sedang dikembangkan di TACC.
“Kerja sama CSA antara kelompok saya dan TACC untuk mengoptimalkan kode EPW memungkinkan kami untuk mendorong batas-batas hal yang dapat diselidiki seseorang dalam memahami dan menemukan materi baru yang penting. Ini merupakan kombinasi dari teori, algoritma, dan komputasi berperforma tinggi dengan banyak diskusi dengan rekan-rekan kami di TACC untuk memastikan bahwa kami menggunakan superkomputer dengan cara yang paling memungkinkan,” kata Giustino.
Aplikasi lain yang mungkin adalah pengembangan perangkat memori feroelektrik, memori komputer yang dapat lebih ringkas. Di dalamnya, informasi dikodekan oleh getaran atom dalam kristal di bawah medan listrik yang diberikan.
“Investasi dalam komputasi berperforma tinggi dan komputasi masa depan sangat penting bagi sains,” simpul Giustino. “Investasi besar diperlukan, seperti investasi untuk mendukung dan memperluas fasilitas seperti TACC.”
Referensi: “Topologi polaron dalam perovskit halida” oleh Jon Lafuente-Bartolome, Chao Lian dan Feliciano Giustino, 17 Mei 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2318151121
Studi ini didukung oleh Computational Supplies Sciences Program yang didanai oleh Departemen Energi AS, Workplace of Science, Primary Power Sciences, berdasarkan Penghargaan No. DE-SC0020129. Selain TACC, pekerjaan ini menggunakan sumber daya dari Nationwide Power Analysis Scientific Computing Middle, Fasilitas Pengguna Workplace of Science Departemen Energi yang didukung oleh Workplace of Science Departemen Energi AS berdasarkan Kontrak No. DE-AC02-05CH11231.
