Znanstvenici su koristili kvantnu mehaniku kako bi otkrili da su naj\u010de\u0161\u0107i minerali Zemlje relativno neuobi\u010dajeni u dubokim slojevima planeta.<\/p>\n\n\n\n
Koriste\u0107i nekoliko najve\u0107ih superra\u010dunala u dr\u017eavi, skupina fizi\u010dara predvo\u0111ena Ohio dr\u017eavnim sveu\u010dili\u0161tem mogla je simulirati pona\u0161anje silicijevog dioksida u uvjetima visoke temperature i visokog tlaka koje je te\u0161ko prou\u010davati iz prve ruke u laboratoriju. Rezultiraju\u0107e otkri\u0107e, objavljeno u ovotjednom internetskom izdanju Proceedings of the National Academy of Sciences<\/em> (PNAS), moglo bi na koncu koristiti podjednako i znanosti i industriji.<\/p>\n\n\n\n Silicijev dioksid \u010dini dvije tre\u0107ine Zemljine kore i mi ga koristimo u izradi proizvoda od stakla i keramike do kompjuterskih \u010dipova i \u017eica opti\u010dkih kablova. \u201eSilicijev dioksid je svuda oko nas\u201c, ka\u017ee student doktorskih studija na Ohio dr\u017eavnom sveu\u010dili\u0161tu- Kevin Driver, koji je vodio ovaj projekt radi svojeg doktorata. \u201eJo\u0161 uvijek ne razumijemo sve o njemu. Bolje znanje o silicijevom dioksidu na kvantno-mehani\u010dkoj razini bilo bi korisno za znanosti o Zemlji, a potencijalno bi bilo tako\u0111er korisno i u industriji.\u201c<\/p>\n\n\n\n “Silicijev dioksid poprima vi\u0161e razli\u010ditih oblika u razli\u010ditim uvjetima temperature i tlaka \u2013 i nije ih sve lako prou\u010davati“, ka\u017ee Driver. \u201eKao \u0161to mo\u017eete i zamisliti, pokusi koji se izvode pod tlakom sli\u010dnim onom u Zemljinoj jezgri mogu biti vrlo izazovni. Koriste\u0107i kvantno \u2013 mehani\u010dke simulacije visoke to\u010dnosti mo\u017eemo ponuditi pouzdan uvid koji nadilazi doseg laboratorija.\u201c Tijekom proteklog stolje\u0107a seizmologija i laboratorijski pokusi u uvjetima visokog tlaka otkrili su nam puno o op\u0107oj strukturi i sastavu Zemlje. Na primjer, takva su istra\u017eivanja pokazala da se unutra\u0161nja struktura planeta sastoji od tri sloja pod imenom kora, pla\u0161t i jezgra. Vanjska dva sloja \u2013 pla\u0161 i kora \u2013 prete\u017eito se sastoje od silikata i minerala koji sadr\u017ee silicij i kisik.<\/p>\n\n\n\n No i dalje detaljnija struktura i sastav najdubljih dijelova pla\u0161ta ostaju nejasni. Ovi detalji va\u017eni su za geodinami\u010dko modeliranje, kojim bi se jednog dana mogli predvidjeti slo\u017eeni geolo\u0161ki procesi kao \u0161to su potresi i erupcije vulkana. \u010cak i uloga najjednostavnijeg silikata \u2013 silicijevog dioksida \u2013 u Zemljinom pla\u0161tu nije dovoljno shva\u0107ena. \u201eZamislite da stojite na pla\u017ei i gledate prema moru. Pijesak ispod va\u0161ih stopala sastavljen je od kvarca, oblika silicijevog dioksida koji sadr\u017ei jedan atom silicija okru\u017een s \u010detiri atoma kisika. No kroz milijune godina, kako se oceanska plo\u010da ispod podvla\u010di i potone pod Zemljinu koru, struktura silicijevog dioksida dramati\u010dno se mijenja\u201c, ka\u017ee Driver.<\/p>\n\n\n\n Kako tlak raste s dubinom, molekule silicijevog dioksida grupiraju se bli\u017ee jedne drugima i atomi silicija dolaze u kontakt s atomima kisika iz susjednih molekula. Doga\u0111a se nekoliko strukturnih promjena s oblicima u uvjetima niskog tlaka koji su okru\u017eeni s \u010detiri atoma kisika i oblicima u uvjetima visokog tlaka koji su okru\u017eeni sa \u0161est atoma. Uz jo\u0161 vi\u0161e tlaka struktura se raspada i formira vrlo gust oblik minerala koji znanstvenici zovu alfa-olovni oksid. Ovaj oblik silicijevog dioksida se vjerojatno nalazi duboko u unutra\u0161njosti Zemlje, u ni\u017eem dijelu pla\u0161ta, malo iznad jezgre planeta, ka\u017ee Driver.<\/p>\n\n\n\n Kad znanstvenici poku\u0161avaju interpretirati seizmi\u010dke signale iz te dubine, nema izravnog puta da saznaju o kojem se obliku silicijevog dioksida radi. Stoga moraju simulirati pona\u0161anje razli\u010ditih oblika putem ra\u010dunala i onda usporediti rezultate sa seizmi\u010dkim podacima. Simulacije se oslanjaju na kvantnu mehaniku. U PNAS-u Driver, njegov savjetnik John Wilkins i njihovi koautori opisuju kako su koristili kvantno \u2013 mehani\u010dku metodu kako bi konstruirali ra\u010dunalne algoritme koji bi simulirali strukture silicijevog dioksida. Kad su to napravili, otkrili su da se pona\u0161anje gustog, alfa-olovno-oksidnog oblika silicijevog dioksida ne sla\u017ee s bilo kojim globalnim seizmi\u010dkim signalom uo\u010denim u donjem dijelu pla\u0161ta. Taj rezultat ukazuje na to da je donji dio pla\u0161ta relativno li\u0161en silicijevog dioksida, osim mo\u017eda u lokaliziranim podru\u010djima gdje su se oceanske plo\u010de podvukle, obja\u0161njava Driver.<\/p>\n\n\n\n Wilkins, ugledni polaznik Sveu\u010dili\u0161ta Ohio i profesor fizike na Ohio Stateu, pohvalio je Driverovu odlu\u010dnost i domi\u0161ljatost u provo\u0111enju ove studije. Fizi\u010dari su koristili metodu pod nazivom kvatna Monte Carlo metoda (QMC), koja je razvijena tijekom istra\u017eivanja atomske bombe u 2. svjetskom ratu. Kako bi dobio svoj doktorat, Driver je radio na tome da poka\u017ee kako se metoda mo\u017ee primijeniti na prou\u010davanje minerala u dubokoj unutra\u0161njosti Zemlje. \u201eOvaj rad demonstrira koliko sjajan doprinos mo\u017ee dati jedan student diplomac te da se kvantnom Monte Carlo metodom mo\u017ee procijeniti gotovo bilo koje svojstvo minerala kroz \u0161irok raspon tlaka i temperature\u201c, ka\u017ee Wilkins. Tako\u0111er dodaje da \u0107e studija \u201estimulirati ve\u0107e kori\u0161tenje kvantne Monte Carlo metode diljem svijeta kako bi se rije\u0161ili vitalni problemi.\u201c<\/p>\n\n\n\n Dok su ovi algoritmi postojali vi\u0161e od pola stolje\u0107a, njihova primjena na silicijevom dioksidu bila je donedavno nemogu\u0107a, ka\u017ee Driver. Izra\u010duni su jednostavno bili previ\u0161e radno intenzivni. \u010cak i danas, s dolaskom jo\u0161 mo\u0107nijih superra\u010dunala i brzim algoritmima koji zahtijevaju manje ra\u010dunalne memorije, izra\u010duni su jo\u0161 uvijek zahtijevali kori\u0161tenje ve\u0107eg broja najve\u0107ih superra\u010dunala u Sjedinjenim Dr\u017eavama, uklju\u010duju\u0107i Centar za superra\u010dunala Ohio u Columbusu. \u201eKoristili smo ekvivalent za \u0161est milijuna CPU sati ili vi\u0161e, kako bi modelirali \u010detiri razli\u010dita stanja silicijevog dioksida\u201c, ka\u017ee Driver. On i njegovi kolege o\u010dekuju da \u0107e se kvantna Monte Carlo metoda koristiti \u010de\u0161\u0107e u znanosti o materijalima u budu\u0107nosti s razvojem sljede\u0107e generacije ra\u010dunala.<\/p>\n\n\n\n Koautori ovog rada su Ronald Cohen s Carnegie Instituta u Washingtonu, Zhigang Wu s Colorado \u0160kole ruda, Burkhard Militzer s Kalifornijskog sveu\u010dili\u0161ta Berkeley i Pablo L\u00f3pez R\u00edos, Michael Towler i Richard Needs sa Sveu\u010dili\u0161ta u Cambridgeu. Ovo istra\u017eivanje financirala je Nacionalna zaklada za znanost i Energetski odsjek. Ra\u010dunalne resurse dao je Nacionalni centar za atmosferska istra\u017eivanja, Nacionalni znanstveni ra\u010dunalni centar za energetska istra\u017eivanja, Nacionalni centar za superra\u010dunalne aplikacije, Ra\u010dunalni centar za nanotehnolo\u0161ke inovacije, TeraGrid i Centar za superra\u010dunala Ohio.<\/p>\n\n\n\n