Fünf ORNL-Wissenschaftler erhalten DOE Early Car

DOE/Oak Ridge National Laboratory

Bild: Jack Cahill, Eugene Dumitrescu, Dan Lu, Takaaki Koyanagi und Matthew Brahlek vom ORNL wurden ausgewählt, um die Auszeichnungen des Department of Energy Early Career Research zu erhalten. Bildnachweis: Carlos Jones/ORNL, US-Energieministerium.mehr sehen

Bildnachweis: Carlos Jones/ORNL, US-Energieministerium

Das Office of Science des Energieministeriums hat fünf Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory für die Auszeichnungen des Early Career Research Program ausgewählt.

Seit seiner Einführung im Jahr 2010 stärkt das Programm die nationale wissenschaftliche Entdeckung, indem es Nachwuchsforscher in Bereichen unterstützt, die mit den acht Hauptprogrammbüros des Office of Science in Verbindung stehen: fortgeschrittene wissenschaftliche Computerforschung, biologische und Umweltforschung, grundlegende Energiewissenschaften, Fusionsenergiewissenschaften, Hochenergie Physik, Kernphysik, Forschung und Entwicklung und Produktion von Beschleunigern sowie Forschung und Entwicklung und Produktion von Isotopen.

Die Auszeichnungen sind in der Regel auf Wissenschaftler in den ersten zehn Jahren ihrer Karriere beschränkt. In diesem Jahr wurde die Berechtigung jedoch auf zwölf Jahre verlängert, um Komplikationen im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie anzuerkennen. Viele Forscher schließen ihre prägendste Arbeit in diesen frühen Karrierejahren ab.

„Die Unterstützung amerikanischer Wissenschaftler und Forscher zu Beginn ihrer Karriere wird sicherstellen, dass die Vereinigten Staaten weiterhin an der Spitze der wissenschaftlichen Entdeckungen bleiben“, sagte US-Energieministerin Jennifer M. Granholm. „Die heute angekündigte Finanzierung gibt den Empfängern die Ressourcen, Antworten auf einige der komplexesten Fragen zu finden und sich als Experten auf ihrem Gebiet zu etablieren.“

Insgesamt 93 Wissenschaftler im ganzen Land, die in 12 nationalen DOE-Labors und 47 Universitäten beschäftigt sind, werden im Rahmen des diesjährigen Programms gefördert.

„Die Unterstützung dieser talentierten Forscher ist für das Ziel des ORNL, die wissenschaftlichen Prioritäten des Landes voranzutreiben, von entscheidender Bedeutung“, sagte Jeff Smith, Interimsdirektor des ORNL. „Ihre wissenschaftlichen Beiträge werden dazu beitragen, Herausforderungen in den Bereichen Quantenmaterialien und -computer, Umweltsysteme und Fusionsenergie zu bewältigen.“

Zu den ORNL-Forschern, die Auszeichnungen erhalten, gehören:

Matthew Brahlek, ein Forschungs- und Entwicklungswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften und -technologie, wurde vom Basic Energy Sciences-Programm für seinen Vorschlag „Epitaxially Imposed Control of Chiral Transport Phenomena“ ausgewählt.

Aufgrund ihrer exotischen Zustände bieten Materialien mit chiraler Symmetrie oder fehlender Spiegelsymmetrie entscheidende Vorteile in quantenbasierten Technologien. Um ihre Eigenschaften voll auszuschöpfen, müssen Wissenschaftler jedoch gleichzeitig die zugrunde liegende Symmetrie und Dimensionalität eines Materials kontrollieren. In diesem Projekt wird Brahlek neue chirale Systeme schaffen, indem er unterschiedliche Materialien auf atomarer Ebene zu atomar dünnen kristallinen Filmen kombiniert. Diese neuen Materialien ermöglichen eine gezielte Kontrolle von Symmetrie und Dimensionalität, um die Entdeckung neuer exotischer Supraleiter und ungewöhnlicher niedrigdimensionaler Zustände zu ermöglichen. Die daraus resultierenden grundlegenden Designprinzipien werden die Entwicklung einer neuen Generation von Quantenmaterialien vorantreiben.

Jack Cahill,ein F&E-Associate Scientist in der Biosciences Division, wurde vom Biological and Environmental Research Program für seinen Vorschlag „Elucidation and Validation of Genes Associated with Biological Nitrification Inhibition in Populus“ ausgewählt.

Die Stickstoffnutzungseffizienz, also die von einer Kulturpflanze verbrauchte Stickstoffmenge im Vergleich zur hinzugefügten Stickstoffmenge, hat großen Einfluss auf die natürliche Kohlenstoffbindung. Bioenergiepflanzen haben in der Regel eine geringe Stickstoffnutzungseffizienz – bis zu 70 % des zugesetzten Stickstoffs gehen als Abfall verloren – was zu einer schlechten Kohlenstoffbindung führt. Aus Pflanzen freigesetzte biologische Nitrifikationshemmmoleküle verhindern einen solchen Stickstoffverlust, indem sie Nitrifikationsprozesse verlangsamen. Mit diesem Vorschlag wird Cahill Experimente durchführen, um Gene zu identifizieren, die mit solchen Molekülen in gewöhnlichen Bioenergiepflanzen der Pappel assoziiert sind, die Nitrifikation im Boden rund um die Pappelwurzeln zu analysieren und letztendlich die Effizienz und Kohlenstoffbindung der Pflanzen zu verbessern.

Eugene Dumitrescu, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Computational Science and Engineering, wurde vom Advanced Scientific Computing Research-Programm für seinen Vorschlag „MLRep4QC3: Multi-Linear Representations for Quantum Characterization, Control, and Computation“ ausgewählt.

Quantenprozesse haben die Grenzen der modernen Wissenschaft erheblich erweitert, den Wissenschaftlern fehlen jedoch hochentwickelte operative Methoden zur Steuerung von Quantenzuständen. Dumitrescu möchte die Computerwissenschaft beschleunigen, indem er herausfindet, wo Quantenkontrolle mit klassischen Computerressourcen möglich ist. Um Skalierbarkeitsprobleme mit früheren Modellen zu überwinden, wird Dumitrescu multilineare Darstellungs- oder MLRep-Algorithmen entwickeln, leistungsstarke Werkzeuge zur Darstellung von Quantenzuständen und zur Minimierung des Rechenaufwands für die Quantencharakterisierung. Anschließend wird Dumitrescu die Qualität von Quantenprozessen bewerten und die Machbarkeit von MLRep-Algorithmen zur Steuerung von Quantenzuständen demonstrieren. Abschließend werden die Algorithmen zu einem linearen Algebra-Paket zusammengestellt, um das Potenzial der klassischen Informatik in der Quantenkontrolle zu bewerten.

Takaaki Koyanagi, ein Forschungs- und Entwicklungswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaft und -technologie, wurde vom Fusion Energy Sciences Program für seinen Vorschlag „Mechanistisches Rahmenwerk für die additive Fertigung hochstrahlungsbeständiger SiC-Komponenten“ ausgewählt.

Trotz ihres Potenzials als kohlenstofffreie Energiequelle steht die Fusionsenergie noch vor mehreren Herausforderungen, darunter der Bedarf an strahlungsbeständigen Komponenten. Koyanagi möchte diese kritischen Teile entwickeln, indem es die Vorteile von Siliziumkarbid, einem vielversprechenden Material für Komponenten von Fusionsenergiesystemen, mit den Flexibilitäten der additiven Fertigung kombiniert. Konkret wird Koyanagai den Binder-Jet-3D-Druck und die chemische Dampfinfiltration von Siliziumkarbid nutzen, ein neuartiges Verfahren, das am ORNL entwickelt wurde, um Komponenten additiv herzustellen. Er wird die ideale Mikrostruktur der Produkte für die Fusion durch Neutronenbestrahlungsexperimente am Hochflussisotopenreaktor des ORNL, Hochdurchsatzverarbeitung und Datenanalyse durch maschinelles Lernen bestimmen.

Und Lu, eine leitende Wissenschaftlerin in der Abteilung für Computerwissenschaften und Ingenieurwesen, wurde vom Programm für biologische und ökologische Forschung für ihren Vorschlag „Integration maschineller Lernmodelle in E3SM zum Verständnis von Küstenüberschwemmungen“ ausgewählt.

Küstenstädtische Regionen sind für die wirtschaftliche und ökologische Gesundheit von besonderer Bedeutung. Aufgrund des Bevölkerungswachstums und der Küstenentwicklung sind diese Gebiete akut von der Gefahr schwerer Überschwemmungen bedroht. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um Rückstaueffekte zu verstehen, die auftreten, wenn der Wasserstand flussabwärts höher ist als der Flusswasserstand und oft für Überschwemmungen an der Küste verantwortlich ist. Um diesen Bedarf zu decken, wird Lu das Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des DOE zusammen mit Methoden des maschinellen Lernens verwenden, um ein daten- und physikgesteuertes Flussmodell zur Bewertung von Rückstaueffekten und zur Modellierung von Überschwemmungen zu erstellen, mit dem Ziel, zuverlässige Vorhersagen zur Abschwächung zu erstellen Überschwemmungen.

Die Preisträger erhalten über einen Zeitraum von fünf Jahren insgesamt 135 Millionen US-Dollar zur Deckung ihrer Gehalts- und Forschungskosten. Die endgültigen Details für jede Projektvergabe unterliegen den endgültigen Förder- und Vertragsverhandlungen zwischen DOE und den Preisträgern.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des Energieministeriums, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science. — Alexandra DeMarco

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