Von interatomaren Potentialen zu Phasendiagrammen

Die Aussagekraft von Computersimulationen auf Basis von klassischen interatomaren Potentialen hängt direkt von der Transferabilität und Qualität der eingesetzten Potentialmodelle ab. Derzeit beziehen Verfahren und Werkzeuge zur Erstellung solcher Wechselwirkungsmodelle vornehmlich einfache, leicht zu berechnende Zielgrößen wie z.B. Gitterparameter, elastische Konstanten und Punktdefektenergien ein. Außerdem werden Gesamtenergien und atomare Kräfte benutzt, für die aus statischen und dynamischen ab initio Rechnungen Referenzwerte bestimmt werden können. Einen viel stringenteren Maßstab um die Leistungsfähigkeit von Potentialen zu bewerten und zu validieren stellen jedoch Phasendiagramme dar. Ein solcher Test würde unmittelbar zeigen, ob ein gegebenes Potential unerwünschte Artefakte zeigt wie z.B. das Fehlen thermodynamisch stabiler Phasen, das Auftreten unphysikalischer „Geisterzustände“ oder abweichende Phasenübergangstemperaturen. Die aktuell verfügbaren Ansätze zur Berechnung von Phasendiagrammen sind jedoch numerisch zu teuer um sie routinemäßig einzusetzen, insbesondere wenn eine Genauigkeit von wenigen Kelvin erreicht werden soll.Auf Grundlage der komplementären Expertise der beiden beteiligten Arbeitsgruppen sollen Verfahren entwickelt werden, die es erlauben präzise Phasendiagramme mit einem deutlich reduzierten Aufwand zu berechnen. Im Zuge dessen sollen in einem ersten Schritt existierende atomistische Methoden zur Phasendiagrammberechnung analysiert und getestet werden -in Bezug auf numerische Effizienz, Genauigkeit und Automatisierungsgrad. Auf Basis dieser Analysen werden wir adaptive Verfahren und leistungsfähige Softwarewerkzeuge für die automatisierte Phasendiagrammberechnung entwickeln, die integrierte Konvergenzkontrollen beinhalten.

Durch ihre Anwendung auf eine Vielzahl von Potentialmodellen bauen wir eine Datenbasis mit thermodynamischen Referenzdaten auf, die es erlauben wird, eingesetzte Potentiale zu validieren. Wir werden die entwickelten Werkzeuge öffentlich zugänglich machen, um es sowohl Entwicklern als auch Anwendern von interatomaren Potentialen zu ermöglichen, die Validität ihrer Modelle in Bezug auf thermodynamische Genauigkeit und im Vergleich mit experimentellen Phasendiagrammen zu beurteilen. Unsere Arbeit wird die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation von Potentialen schaffen, die direkt an experimentelle Phasendiagramme und ab initio-basierte freie Energien gefittet werden und somit somit schon auf Grund ihrer Konstruktion realistische thermodynamische Eigenschaften aufweisen.

DFG

AZ: STU611/25-1

Projektzeitraum: Juli 2019 – Juni 2022

Forschungsprojekt mit der Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE)