O plasma – o quarto estado de matéria carregado eletricamente – está no centro de muitos processos industriais importantes, incluindo os usados para fazer lascas de computador e materiais de revestimento. Simular a esses plasmas pode ser um desafio, no entanto, porque milhões de operações de matemática devem ser realizadas para milhares de pontos na simulação, muitas vezes por segundo. Mesmo com os supercomputadores mais rápidos do mundo, os cientistas lutaram para criar uma simulação cinética – que considera partículas individuais – que são detalhadas e rápidas o suficiente para ajudá -los a melhorar esses processos de fabricação.
Agora, um novo método oferece melhor estabilidade e eficiência para simulações cinéticas do que é conhecido como plasmas indutivamente acoplados. O método foi implementado em um código desenvolvido como parte de uma parceria pública pública entre o Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPPL) do Departamento de Energia dos EUA e a fabricante de equipamentos de chips Applied Materials Inc., que já está usando a ferramenta. Pesquisadores da Universidade de Alberta, PPPL e Laboratório Nacional de Los Alamos contribuíram para o projeto.
Simulações detalhadas desses plasmas são importantes para entender melhor como as formas e evoluções de plasma para vários processos de fabricação. Quanto mais realista a simulação, mais precisa as funções de distribuição ela fornece. Essas medidas mostram, por exemplo, a probabilidade de que uma partícula esteja em um local específico se movendo a uma velocidade específica. Por fim, entender esses detalhes pode levar a realizações sobre como usar o plasma de uma maneira mais refinada para gravar padrões no silício para chips ou memória ainda mais rápidos com maior armazenamento, por exemplo.
“Este é um grande passo à frente em nossas capacidades”, disse Igor Kaganovich, um principal físico de pesquisa do PPPL e co-autor de um artigo de revista publicado em Física dos Plasmas Isso detalha as descobertas da simulação.
Tornando o código confiável
A versão inicial do código foi desenvolvida usando um método antigo que se mostrou não confiável. Dmytro Sydorenko, associado de pesquisa da Universidade de Alberta e primeiro autor do artigo, disse que foram feitas modificações significativas do método para tornar o código muito mais estável. “Mudamos as equações, então a simulação imediatamente se tornou muito confiável e não houve mais acidentes”, disse ele. “Então agora temos uma ferramenta utilizável para a simulação de plasmas indutivamente acoplados em duas dimensões espaciais”.
O código foi aprimorado, em parte, mudando a maneira como um dos campos elétricos foi calculado. Um campo elétrico é como um campo de força invisível que envolve cargas e correntes elétricas. Ele exerce forças em partículas. Em um plasma indutivamente acoplado, uma bobina de arame que transporta uma corrente elétrica gera um campo magnético em mudança, que, por sua vez, gera um campo elétrico que aquece o plasma. É esse campo, conhecido como campo elétrico solenoidal, no qual a equipe concentrou seus esforços.
O código calcula os campos eletromagnéticos com base em procedimentos desenvolvidos por Salomon Janhunen, do Laboratório Nacional de Los Alamos. Esses procedimentos foram otimizados por Jin Chen, do PPPL, que atuou como uma ponte entre aspectos de física, matemática e ciência da computação do desafio. “Para um problema complicado, a melhoria é significativa”, disse Chen.
A simulação é conhecida como código de partícula em células, porque rastreia partículas individuais (ou pequenos grupos de partículas agrupados como as chamadas macropartículas) enquanto elas se movem no espaço de uma célula da grade para outra. Essa abordagem funciona particularmente bem para os plasmas usados em dispositivos industriais, onde a pressão do gás é baixa. Uma abordagem fluida não funciona para esses plasmas porque usa valores médios em vez de rastrear partículas individuais.
Obedecer à lei da conservação de energia
“Essa nova simulação nos permite modelar plasmas maiores rapidamente, conservando com precisão a energia, ajudando a garantir que os resultados reflitam processos físicos reais em vez de artefatos numéricos”, disse Kaganovich.
No mundo real, a energia não aparece aleatoriamente ou desaparece. Segue a lei da conservação de energia. Mas um pequeno erro em uma simulação de computador pode se acumular a cada etapa. Como cada simulação pode envolver milhares ou até milhões de etapas, um pequeno erro elimina significativamente os resultados. Garantir que a energia seja conservada ajuda a manter a simulação fiel a um plasma real.
O Stéphane Ethier do PPPL também trabalhou no novo código de simulação. O trabalho foi apoiado por um acordo de pesquisa e desenvolvimento cooperativo entre a Applied Materials Inc. e o PPPL, sob o número do contrato de-AC02-09CH11466.