Simulação de eventos raros através de processos fora do equilíbrio

Resumo

Com a crescente disponibilidade de recursos computacionais e devido à melhoria contínua dos métodos computacionais, a Física Computacional da tornou-se um componente crucial da área de Física da Matéria Condensada, servindo como uma conexão entre a teoria pura e o experimento. Neste contexto, as técnicas de simulação atomística como a dinâmica molecular (MD) e Monte Carlo (MC) desempenham um papel particularmente importante na caracterização dos processos atômicos fundamentais que controlam as propriedades macroscópicas dos sistemas complexos. Esta caracterização é um objetivo comum em muitas áreas da Ciência, incluindo Química, Física, Biologia e Ciência dos Materiais, onde uma compreensão fundamental dos processos elementares requer um conhecimento detalhado das configurações e dinâmicas na escala atômica. A partir deste ponto de vista, a simulação atomística representa uma ferramenta poderosa que permite a observação da evolução de estruturas em nano-escala ao longo de "experimentos" computacionais controlados. A este respeito, a simulação atomística pode servir de alternativa no caso de um experimento em um laboratório convencional ser considerado difícil ou mesmo impossível. Apesar desses pontos fortes, a aplicabilidade dos métodos de simulação atomística sofre de uma limitação fundamental que pode ser atribuída à natureza da escala atômica, restringindo as escalas de tempo acessíveis a este tipo de modelagem. Dado que as técnicas atomísticas operam na escala de tempo natural do movimento atômico (por exemplo, ditada por uma frequência típica de fônon no caso de um sólido), a duração máxima de uma simulação é bastante curta, geralmente da ordem de pico/nanossegundos. Além disso, dado que a evolução do tempo de um sistema atomístico é tipicamente descrita por um conjunto de equações diferenciais de primeira ordem com condições iniciais (como as equações de Newton), não pode ser paralelizada. Isso implica que as técnicas atomísticas são muito ineficientes no manejo de processos que são controlados por eventos raros: ocorrências pouco frequentes, porém dominantes que controlam processos como reações químicas, processos de nucleação e movimento de defeito em sólidos. Neste projeto de doutorado direto abordaremos o tema dos eventos raros em simulações atomísticas, focando em particular em técnicas baseadas em processos fora do equilíbrio. (AU)