Scientific Cloud
Final Report Abstract
Durch die gewählte Kombination eines HPC-Systems mit MIC-Coprozessoren für lokal hochparallele Anwendungen (nwzPHI) mit einem Virtualisierungscluster für flexible Rechenleistung zu einer ComputeCloud, sowie ein paralleles Hochleistungsdateisystem (BeeGeeFS) mit einem flexiblen, hochwertigen Speichersystem in einer StorageCloud, ist den projektspezifischen Bedürfnissen der Nutzer aus den Fachbereichen Biologie, Chemie/Pharmazie und Physik Rechnung getragen worden. In interdisziplinären Forschungsprojekten und -verbünden (SFB, TRR) arbeiten Gruppen aus diesen Bereichen zusammen, so dass die Scientific Cloud (SC) auch in diesen Rahmen zum Gelingen der Kooperationen beiträgt. Spezielle Anwendungen aus den Bereichen der Festkörpertheorie, theoretischen Physik oder theoretischen Chemie nutzen die Möglichkeiten hochparallelisierter numerischer Berechnungen der Beschleuniger (Xeon Phi). Ein Fokus in der Festkörpertheorie (AG Doltsinis) lag auf der Multiskalenmodellierung organischer Solarzellen. Durch die Kombination einer Reihe von theoretischen Ansätzen – von ab initio Elektronenstrukturrechnungen über atomistische Molekulardynamik bis hin zu vergröberten Darstellungen – wurden verschiedene Aspekte, wie z.B. Lichtabsorption, Ladungstransport und Morphologie untersucht. Darüber hinaus wurde die durch Lichtmuster induzierte Oberflächenstrukturierung der Solarzellen simuliert. Die Lumineszenz organometallischer Komplexe wurde im Rahmen der (zeitabhängigen) Dichtefunktionaltheorie (TD)DFT studiert, mit dem Ziel maßgeschneiderte Komponenten für OLEDs zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit experimentell arbeitenden und theoretischen Chemikern wurde die Reaktivität und Mobilität organischer Adsorbate auf Metalloberflächen mit statischen und dynamischen DFT-Methoden untersucht. Eine Reihe von Projekten (AK Heuer) hat das Molekulardynamik-Simulationspaket Gromacs verwendet, welches sich sehr gut auf Beschleunigerknoten verwenden lässt. Dazu gehören unter anderem die sehr zeitaufwändigen Simulationen von DNA-Salz-Wechselwirkungen, Protein-Membran- Wechselwirkungen sowie die Entmischungskinetik in komplexen Membranmischungen. Die Arbeitsgruppe Rohlfing nutzt die SC für rechenintensive ab-initio Vielteilchenstörungstheorie, um die elektronischen und optischen Spektren nanostrukturierter Materialien beschreiben zu können, dies insbesondere fokussiert auf organische Adsorbate auf Metalloberflächen sowie auf zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkogenide. Von besonderer Bedeutung sind dielektrische Abschirm-Mechanismen, die sich bei niederdimensionalen Systemen qualitativ und quantitativ von den üblichen Modellvorstellungen unterscheiden und die Energetik elektronischer Anregungen massiv beeinflussen.Ein anderes Arbeitsfeld der Festkörpertheorie (AG Kuhn) ist die Modellierung der durch Spin-Torque-Oszillatoren induzierten Magnon-Dynamik in verschiedenen Nanostrukturen in mikromagnetischen Simulationen. Einen Schwerpunkt bildeten dabei Synchronisationsphänomene sowie die damit verbundenen Bistabilitätsbereiche. Unterschiedliche nichtklassische Phononzustände, generiert durch Anregung von Quantenfilmen und Quantenpunkten mit ultrakurzen Laserpulsen, wurden in quantenkinetischen Simulationen untersucht. Während in Quantenpunkten Schrödinger-Katzen-Zustände gefunden wurden, ergab sich in Quantenfilmen ein zeitunabhängiges Quetschen des Phononimpulses. Auf dem Gebiet der optischen Technologien wurden in Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik und Kontrolle von longitudinalen und transversalen Moden in faseroptischen Systemen mit der SC entscheidende Fortschritte erzielt (AG Fallnich). Bei Verwendung integrierter Wellenleiter resultiert eine numerisch vorhergesagte Energiereduktion vom mittleren Mikrojoule- in den niedrigen Nanojoule-Bereich. Durchgeführt wurden auch vergleichende numerische Simulationen für die Superkontinuumserzeugung über zwei Oktaven. Bei der Konzeption und Realisierung neuer hochstabiler, fasergestützter und durchstimmbarer Ultrakurzimpuls-Strahlquellensysteme für die nichtlineare Spektroskopie und Mikroskopie erfolgte eine detaillierte numerische Ausarbeitung des Strahlquellenkonzeptes der Optical Parametric Chirped Pulse Oscillation. In der theoretischen Physik trugen HPC-Rechnungen mit der SC zu präzisen Vorhersagen für neue Physik am LHC und über supersymmetrische und minimal dunkle Materie bei. So wurde das Verhalten von Photonen in Hochenergiekollisionen sowie harte Sonden für das Quark-Gluon-Plasma untersucht (AG Klasen). Im Projekt „Supersymmetrische Yang-Mills-Theorie auf dem Gitter“ (AG Münster) wurde die Theorie der Eichgruppe SU(2) mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Für das Spektrum der leichtesten gebundenen Zustände und weitere physikalisch wichtige Charakteristika (Confinement-Potential, SUSY- Ward-Identitäten, Phasenstruktur, Topologie) konnten neue Ergebnisse gewonnen werden, die zu einer Reihe von Publikationen geführt haben. Das Projekt „Physik der B-Mesonen in der Lattice QCD“ lieferte neue Resultate über phänomenologisch und experimentell relevante physikalische Größen der Theorie der starken Wechselwirkungen der QCD. Von der hohen Rechenleistung haben auch Gruppen aus dem Gebiet der Geophysik bei Simulationen profitiert (AG Hansen). Es wurden Phänomene der geophysikalischen Fluiddynamik, insbesondere thermische und doppelt-diffusive getriebene Konvektionsströmungen untersucht. Dabei wurden grundlegende Fragestellungen, wie die Dynamik von Grenzschichten in turbulenten Konvektionsströmungen wie auch mehr geophysikalisch motivierte Fragen, z.B. nach dem Zusammenhang von Mantelkonvektion und Plattentektonik betrachtet. Besonders die Entwicklung der frühen Erde rückte in den Mittelpunkt der Arbeiten. Hier gelang es, Differenzierungsprozesse im frühen Magmaozean besser zu verstehen. Seit einigen Monaten wird das HPC-System auch von Arbeitsgruppen aus der theoretischen Biologie (AG Gronover) zur Durchführung von Next-Generation-Sequencing-Analysen genutzt. Dabei werden sehr umfangreiche Datensätze produziert, die mit gewöhnlichen Rechenleistungen nicht möglich wären.
Publications
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A comparison of mantle convection models featuring plates, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2014, 15, 2689
C. Stein, J. Lowman, U. Hansen
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Nanomagnonic devices based on the spin-transfer torque; Nat. Nanotech. 2014, 9, 509
S. Urazhdin, V.E. Demidov, H. Ulrichs, T. Kendziorczyk, T. Kuhn, J. Leuthold, G. Wilde, S.O. Demokritov
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Effects of Earth's rotation on the early differentiation of a terrestrial magma ocean, J. Geophys. Res. Solid Earth, 2015, 120, 7508
C. Maas, U. Hansen
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Indirect and direct search for dark matter. Prog. Part. Nucl. Phys 2015, 85, 1
M. Klasen, M. Pohl, G. Sigl
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A chemically driven quantum phase transition in a twomolecule Kondo system. Nature Physics 2016, 12, 867
T. Esat, B. Lechtenberg, T. Deilmann, C. Wagner, P. Krüger, R. Temirov, M. Rohlfing, F.B. Anders, F.S. Tautz
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The light bound states of supersymmetric SU(2) Yang-Mills theory. J. High Energ. Phys. 2016, 2016:80
G. Bergner, P. Giudice, I. Montvay, G. Münster, S. Piemonte
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2D lattice model of a lipid bilayer: Microscopic derivation and thermodynamic exploration, J. Chem. Phys. 2017, 146, 064305
D. Hakobyan, A. Heuer
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Ballbot-type motion of N-heterocyclic carbenes on gold surfaces. Nat. Chem. 2017, 9, 152-156
G. Wang, A. Rühling, S. Amirjalayer, M. Knor, J. B. Ernst, C. Richter, H.-J. Gao, A. Timmer, H.-Y. Gao, N. L. Doltsinis, F. Glorius, H. Fuchs
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Formation of Organometallic Intermediate States in On-Surface Ullmann Couplings, Chem. Eur. J. 2017, 23, 6190
D. Barton, H.-Y. Gao, P.A. Held, A. Studer, H. Fuchs, N.L. Doltsinis, J. Neugebauer
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Optical parametric chirped pulse oscillation. Opt. Express 2017, 25, 12884
M. Brinkmann, T. Hellwig, C. Fallnich
