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El Laboratorio Nacional Oak Ridge ayuda a avanzar en el descubrimiento científico con HPC

Hola y mil gracias por leerme. En el teclado Simón Sánchez y esta vez te voy a hablar sobre El Laboratorio Nacional Oak Ridge ayuda a avanzar en el descubrimiento científico con HPC

«El isótopo inusual germanio-72 cambia de fase a medida que aumenta la temperatura»

El Laboratorio Nacional Oak Ridge aprovecha la supercomputadora Cray XT5TM «Jaguar» con procesadores AMD OpteronTM para promover el descubrimiento científico y ayudar a resolver el curioso caso de germanio-72

Hay mucho que no sabemos sobre el núcleo atómico, a pesar de que fue descubierto hace un siglo este año.

Obviamente aprendimos mucho. Podemos obtener energía dividiendo el núcleo en un proceso conocido como fisión o rompiendo los núcleos juntos en un proceso conocido como fusión. Si bien no podemos decir exactamente cuándo un núcleo inestable se descompondrá por sí solo, transformándose espontáneamente de un isótopo a otro, podemos decir qué tan rápido lo hará un gran grupo de núcleos. De hecho, podemos determinar con confianza la vida media de un núcleo, el momento en que el 50 por ciento se desintegra, incluso en los casos en que la vida media es mayor que la edad del universo.

El núcleo exhibe rarezas que, si se comprenden mejor, ayudarán a explicar nuestro mundo. Uno de ellos es la tendencia de los protones y neutrones que forman el núcleo atómico, conocidos colectivamente como nucleones, a unirse en pares.

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Físicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), la Universidad de Tennessee y el GSI alemán en Darmstadt utilizaron recientemente la supercomputadora Cray de ORNL, apodada « Jaguar », para explorar la unión de pares de neutrones en un isótopo. raro: germanio-72. Al hacerlo, encontraron que los cambios en la temperatura y la rotación llevan al núcleo a través de al menos dos fases físicas. Su trabajo, que ofrece la primera descripción realista de este tipo de transición de fase en un núcleo atómico, se presentó en la edición del 19 de noviembre de 2010 de Physical Review Letters.

En nuestra vida mundana, vemos una transición de fase cada vez que vemos agua enfriarse en hielo o hervir en vapor. Estos tres estados del agua (sólido, líquido y gas) son las tres fases y las transiciones dependen tanto de la presión como de la temperatura. En el mundo cuántico oculto del núcleo atómico, sin embargo, las transiciones de fase son más sutiles.

Un isótopo inusual cambia de fase a medida que aumenta la temperatura

El germanio-72 tiene 32 protones (como todos los isótopos del germanio) y 40 neutrones. Esos 40 neutrones se acoplan fuertemente cuando el núcleo está frío y tranquilo, pero el acoplamiento se debilita a medida que aumenta la temperatura o la rotación. Lo que el equipo encontró, sin embargo, es que la relación no es sencilla. Cuando la rotación es alta, el acoplamiento se debilita a medida que aumenta la temperatura, vuelve a subir en un rango de temperatura pequeño y luego se debilita a medida que la temperatura continúa aumentando. Ese pico indica la transición entre fases.

«La transición de fase es una consecuencia del acoplamiento, la rotación y la temperatura», señaló Hai Ah Nam, miembro del equipo de ORNL. “Lo que vimos fue que en la rotación más alta, había una temperatura crítica donde de repente el partido volvió a verse favorecido. Fue interesante. «

Dijo que el descubrimiento es emocionante en parte porque la transición de fase se asemeja al cambio sufrido por los superconductores ferromagnéticos. En ese caso, los electrones del material superconductor se acoplan en pares de Cooper por debajo de una temperatura crítica, lo que permite que el material conduzca la electricidad sin pérdida.

«A esta temperatura, se ha reintroducido el acoplamiento», dijo Nam sobre los neutrones en el isótopo de germanio. “Pasó por esta fase de transición. Es como un superconductor, donde tienes que tener una cierta temperatura para que se formen pares de Cooper. Y esto se traduce en el fenómeno de los superconductores. «

Innovaciones a través de la supercomputación

El equipo simuló germanio-72 en Jaguar utilizando una técnica estadística llamada Shell Model Monte Carlo, presentada por primera vez en CalTech en la década de 1990 mediante una colaboración que incluía a los miembros del equipo David Dean, ahora de ORNL, y Karlheinz Langanke. , ahora de GSI. En el modelo de capa nuclear, los protones y neutrones ocupan niveles de energía sucesivamente más altos, con un número limitado de nucleones capaces de ocupar cada nivel. Entonces, por ejemplo, dos neutrones pueden estar en el nivel de energía más bajo, cuatro en el superior, dos más en el superior, y así sucesivamente.

La técnica computacional examina protones y neutrones en cada uno de estos niveles de energía. Para evitar tener que mirar todas las configuraciones posibles de los 72 nucleones, un billón de billones de configuraciones en total, la técnica calcula las propiedades del núcleo utilizando un promedio estadístico cuántico. Este enfoque proporciona al equipo una respuesta extremadamente precisa combinada con una incertidumbre conocida.

Incluso con esta técnica de muestreo, el cálculo utilizó 80.000 de los 224.000 núcleos de procesador AMD OpteronTM de Jaguar durante 4 horas para estudiar un solo núcleo. «El impacto de Jaguar en la resolución de estos cálculos es enorme», dijo Nam. «Encontrar esta misma cantidad de información tardó meses en completarse hace una década. Ahora podemos realizar una investigación computacional en una supercomputadora en una semana».

El equipo planea continuar esta investigación para ver si el efecto está presente en isótopos distintos del germanio-72. Los investigadores también sugirieron una forma de comparar los resultados teóricos con los experimentos. Los resultados iniciales indican que la transición de fase observada en germanio-72 puede ser única.

«En los estudios en curso, analizaremos una docena o más de núcleos de masa promedio dentro de este rango para ver si podemos lograr el mismo efecto», dijo Nam. “Debido a que Jaguar es un activo fantástico, podemos profundizar más y, esencialmente, ejecutar múltiples ‘experimentos’ en un corto período de tiempo para obtener una mejor comprensión de la ciencia. La velocidad a la que podemos observar una amplia gama de núcleos habría sido imposible cuando David comenzó. «

Una ventaja de la técnica Shell Model Monte Carlo, señaló, es que predice las consecuencias de la transición de fase que se pueden probar experimentalmente. En este caso, la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del material, conocida como calor específico, desciende significativamente hasta la temperatura crítica.

Nam dijo que experimentadores interesados ​​en verificar el resultado se acercaron al equipo, una tarea abrumadora pero factible. Los investigadores han podido examinar el calor específico de los núcleos en el pasado, pero hasta ahora nadie ha examinado de cerca el germanio-72.

Entonces, ¿qué significa que al menos algunos núcleos pasen por este tipo de cambio de fase? Nadie está seguro. El resultado es muy nuevo y las implicaciones tardarán en aclararse.

«La competencia entre la superconductividad, la rotación rápida y la temperatura es un tema fascinante que se puede estudiar en varios sistemas físicos, incluidos pequeños núcleos atómicos y ferromagnetos a escala macroscópica», dijo el miembro del equipo Witold Nazarewicz, físico de la Universidad de Tennessee. Knoxville y la Universidad Polaca de Varsovia, así como director científico de la Instalación de Rayos de Iones Radiactivos Holifield de ORNL. «Nos encantó descubrir que nuestro modelo teórico puede ofrecer la primera descripción realista de un fenómeno esquivo de sucesivas transiciones de fase de acoplamiento en los núcleos».

“Entonces, ¿cuál es el impacto físico de aprender que el germanio tiene un cambio de fase? Bueno, los cambios de fase ciertamente se explotan en muchas prácticas de ingeniería «, dijo Nam. Por ahora, estos resultados nos acercan un paso más a la comprensión del núcleo atómico».

Contenido cortesía del Laboratorio Nacional Oak Ridge. Investigación patrocinada por la Oficina de Ciencias del DOE.

Para ver el estudio de caso completo, visite:

http://www.cray.com/Assets/PDF/products/xt/XT-ORNL-Germanium-0611.pdf

Las organizaciones involucradas incluyen:

Departamento de Energía de Estados Unidos
Laboratorio Nacional Oak Ridge
Oak Ridge, TN, Estados Unidos
www.ornl.gov

Universidad de Tennessee
Knoxville, TN, Estados Unidos
www.utk.edu

GSI
Darmstadt, Alemania
www.gsi.de

Cray Inc.
Seattle, WA, Estados Unidos
www.cray.com

AMD
Sunnyvale, CA, EE. UU.
www.amd.com

Notas gráficas detalladas:

A medida que un núcleo de gemanio-72 que gira rápidamente se calienta, el acoplamiento entre protones y neutrones dentro del núcleo tiende a disminuir de manera constante. Sin embargo, a una temperatura crítica, el acoplamiento aumenta, como se muestra en la ilustración central. Este extraño comportamiento marca una transición de fase dentro del núcleo de germanio-72. (Ilustración de Andy Sproles, ORNL)

Hechos del jaguar:

Supercomputadora Cray XT5 ™ «Jaguar»

Con una velocidad máxima de 2,33 petaflops, «Jaguar» es una supercomputadora Cray XT5 basada en procesadores AMD OpteronTM ubicada en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). Con el ascenso a petaescala, Jaguar puede proporcionar a los científicos computacionales una resolución sin precedentes para estudiar una amplia gama de fenómenos naturales, desde el cambio climático hasta la garantía energética, la nanotecnología y la energía nuclear.

Resumen del sistema

Petaflop máximo: 2,33
Procesadores AMD Opteron ™ de seis núcleos: 37,376
Núcleo AMD Opteron: 224.256
Nodos de cálculo: 18.688
Memoria (TB): 300
Ancho de banda del disco (GB / s): 240
Espacio en disco (TB): 10,000
Superficie útil (pies cuadrados): 5,000

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