Квантово-механическое моделирование наноструктур из первых принципов

Руководители: Полозков Роман Григорьевич
Проект каф. Общей Физики (зав. каф. д.ф.-м.н. Полозков Роман Григорьевич)

Реальные объекты физики конденсированного состояния – жидкости и твердые тела, состоят из очень большого числа атомов, которые в свою очередь состоят из ядер и электронов. Это существенно квантовые объекты, которые надо описывать на языке квантовой механики. Существует много приближенных подходов к решению подобных задач, но, благодаря прогрессу в развитии современной вычислительной техники, в последнее время активно применяется так называемый подход квантово-механического моделирования из первых принципов (ab-initio подход). По сути, это численное моделирование пространственной структуры системы, энергетического спектра ее электронов и оптического отклика путем численного решения уравнений, аналогичных уравнению Шредингера. Наиболее известным и широко применяемым ab-initio подходом является теория функционала плотности (Density functional theory - DFT). Разумеется, на данный момент времени созданы уже готовые к применению инструменты для подобных расчетов в виде пакетов квантово-механического моделирования на базе DFT, такие как QuantumEspresso, Gaussian, Gamess, Octopus, VASP, GPAW и другие.  

В рамках данного проекта предлагается провести конкретные расчеты для: 
1)    поиска оптимальной геометрии элементарной ячейки кристалла
2)    энергетического спектра электронов в кристалле
3)    оптического отклика кристалла.
Планируется использовать два бесплатных пакета – QuantumEspresso и GPAW. Специфика алгоритма расчетов, заложенных в эти программы, такова, что они позволяют очень эффективно рассчитывать параметры именно кристаллических структур, в которых важна периодичность повторения положений атомов в кристаллической решетке. 
Особенности пакетов: 

1.    GPAW – пакет, представляющий собой набора программ, написанных на языке Python, что позволяет легко их модифицировать в случае необходимости.  Однако данный пакет ограничен в выборе псевдопотенциалов и обменно-корреляционных функционалов, описывающих многочастичные корреляции в процессах взаимодействия частиц.

2. QuantumEspresso  – наверное, самый распространённый пакет ab-initio моделирования кристаллических структур.    Модифицировать его сложно, но и не нужно, так как в нем учтена возможность решения  практически любых задач для квантово-механического моделирования кристаллических структур. Кроме того, существует очень много удобных оболочек, управляющих этим пакетом, с интуитивно понятным простым интерфейсом. Одной из таких оболочек является QuantumVitas (www.quantumvitas.org). 

Cсылки на очень полезные ролики, иллюстрирующие:

1. Основы работы с QuantumEspresso 

2. Набор проектов, реализуемых на QuantumEspresso

3. Основы работы с QuantumVitas