Mackenzista cria algoritmo que acelera simulações computacionais de transporte eletrônico  

Um algoritmo criado por um mackenzista permitiu um cálculo de simulações computacionais de materiais com propriedades eletrônicas até 220 vezes mais veloz do que os atuais algoritmos utilizados para este tipo de cálculo. A descoberta pode ajudar em pesquisas que analisam as capacidades eletrônicas dos materiais e encontrar soluções para nanomateriais de forma mais rápida.

O algoritmo é fruto da pesquisa do agora doutor Santiago Giménez de Castro, que fez seu doutorado junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação da Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM). A tese do mackenzista foi focada na simulação computacional de transporte eletrônico em nanoestruturas, que teve como título Fast Fourier-Chebyshev Approach to Real-Space Simulations of the Kubo Formula. O trabalho contou com a orientação do professor Dario Bahamon.

Em entrevista ao Na Lupa, Castro contou que nomeou o algoritmo de FastCheb. Segundo ele, o algoritmo acelera enormemente simulações de Kernel Polynomial Method (KPM) para transporte eletrônico. As simulações são de 10 a 220 vezes mais rápido com o FastCheb do que o KPM tradicional. Esta margem aumenta na medida em que se incrementa a resolução da simulação. A descoberta chave foi perceber que um dos passos do método tradicional é análogo a um sinal digital, e que, portanto, pode ser avaliado por meio de uma técnica de processamento de sinal altamente eficiente, a Fast Fourier Transform (FFT), em português, Transformadas Rápidas de Fourier. 

Para entender como o FastCheb funciona, é preciso compreender o conceito de transporte eletrônico. A área estuda os processos e efeitos sofridos pelos elétrons no seu trajeto dentro de um dispositivo eletrônico. Com a diminuição do tamanho desses dispositivos, fenômenos quânticos como confinamento e tunelamento, tornam-se importantes.  

“Compreender o movimento dos elétrons é essencial para o aprimoramento de dispositivos nanoeletrônicos, visando melhor desempenho, eficiência energética e a incorporação de novas funcionalidades. Isto contribui para avanços em áreas como eletrônica, computação quântica e nanotecnologia”, explica o orientador de Castro, professor Dario Bahamon.

“Calcular propriedades eletrônicas de nanodispositivos é desafiador porque nesta escala o comportamento dos elétrons é o de uma onda e, portanto, exige uma abordagem puramente quântica. Meu trabalho traz avanços em um método chamado KPM”, destaca Santiago.  

Ao longo do doutorado, Gimenez divulgou suas descobertas em diversos artigos. Em um deles, abordou a eficiência numérica do método subjacente ao primeiro trabalho, o Kernel Polynomial Method (KPM). Através da aplicação de Transformadas Rápidas de Fourier (FFT), foi possível melhorar significativamente o desempenho do KPM para cálculos de transporte 

O KPM serve para simular computacionalmente nanodispositivos realistas, sendo capaz de incluir todo tipo de desordem e impurezas que ocorreriam dentro de um dispositivo real. O custo dessa descrição tão fiel à realidade é muito alto: a simulação deve considerar cada átomo do dispositivo individualmente. 

Santiago acredita que a descoberta impactará futuras pesquisas. “Simulações mais rápidas significam que o pesquisador consegue explorar um número muito maior de possíveis materiais e propriedades do que antes era possível. É um enorme contraste com relação ao método tradicional, em que o tempo escala quadraticamente em função da resolução”. 

Para Castro, o apoio e a infraestrutura da UPM foram essenciais para seu projeto. “O apoio do Mackenzie foi fundamental para o desenvolvimento de todo meu trabalho. Sou grato ao meu orientador Dario Bahamon. Quanto à infraestrutura, grande parte dos cálculos do paper foram desenvolvidos no MackCloud, que tem cluster destinado a computação de alto desempenho”. 

Durante o período de estudos, realizou o doutorado sanduíche, um programa de bolsas que permite intercâmbio, na University of York (Reino Unido) onde especializou-se no desenvolvimento de técnicas de simulação para nanoestruturas, resultando em duas importantes contribuições acadêmicas na área.

Na opinião do professor Dario Bahamon, um doutorado bem-sucedido traz uma série de benefícios tangíveis e intangíveis, além de prestígio para a universidade no cenário acadêmico nacional e internacional. “A pesquisa do Santiago produziu dois artigos em revistas internacionais de alto impacto, especificamente o segundo trabalho publicado na Physical Review Letters, uma revista de muito prestígio, desenvolveu um método inovador que reduz significativamente o tempo de cálculo numérico, além do que programas de doutorado de destaque atraem estudantes talentosos e motivados”. 

As descobertas feitas a partir da pesquisa de Santiago Castro foram publicadas em periódicos renomados, como Physical Review B e Physical Review Letters, consideradas publicações de ponta no mundo da física.