Расчеты свойств кристаллов и низкоразмерных структур из первых принципов

Задача предсказания свойств различных материалов на основании знания только их химического состава давно привлекает исследователей. Однако еще в 1929 году Поль Дирак писал, что хотя теоретический фундамент для этого уже создан в рамках квантовой механики, дело упирается в решение чрезвычайно сложных уравнений.

Огромные успехи, достигнутые в развитии вычислительной техники и методов программирования, позволяют в настоящее время получить при расчете свойств веществ исходя только из уравнений квантовой механики (из первых принципов, ab initio) точность, сопоставимую с получаемой в эксперименте. Эти методы расчета позволяют предсказывать свойства самых разных объемных материалов и изготовленных из них низкоразмерных структур, рассматривать такие вопросы как поведение материалов в экстремальных условиях (например, при сверхвысоких давлениях, недостижимых в лабораторных условиях), изучать свойства опасных (радиоактивных, взрывоопасных) веществ. Расчеты из первых принципов чрезвычайно полезны при поиске материалов с какими-либо рекордно высокими характеристиками, позволяя на стадии компьютерного моделирования выделить наиболее перспективные из этих материалов еще до начала их практического получения и последующего экспериментального исследования. Кроме того, расчеты из первых принципов позволяют глубже разобраться в сути физических явлений, происходящих в исследуемых материалах, и получить их адекватную физическую интерпретацию. Признанием успехов, достигнутых в области первопринципных расчетов, является присуждение ученым, стоявшим у истоков этого направления, -- Роберту Малликену, Вальтеру Кону и Джону Поплу -- Нобелевских премий.

Основным направлением исследований в группе проф. А.И. Лебедева являются исследования свойств объемных кристаллов и низкоразмерных структур (сверхрешеток, нанопластинок, наногетероструктур, квантовых нитей, магических нанокластеров), содержащих в том числе легирующие примеси и структурные дефекты. Эти исследования тесно связаны с экспериментальными работами, проводимыми в нашей и дружественных лабораториях.

Проводимые расчеты основаны на использовании метода функционала плотности для расчета электронной структуры. Он позволяет рассчитать параметры кристаллической структуры, энергии различных фаз, фононный спектр, зонную структуру, спонтанную поляризацию, найти тензоры диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических и упругих модулей, тензоры квадратичной нелинейной оптической восприимчивости и естественной оптической активности, рассчитать рамановские и инфракрасные спектры, определить энтальпию смешения твердых растворов, величину магнитных моментов атомов и спин-орбитальное расщепление уровней. С его помощью изучаются индуцируемые давлением фазовые переходы в кристаллах. Полученные результаты публикуются в ведущих научных журналах (Physical Review B, Journal of Applied Physics, Journal of Physical Chemistry C, Journal of Alloys and Compounds, Computational Materials Science).

Поскольку любые расчеты из первых принципов чрезвычайно трудоемки, то для их проведения используется техника параллельных вычислений, при которой расчеты проводится параллельно на большом числе ядер вычислительного кластера или суперкомпьютера. Это позволяет существенно ускорить вычисления.

Для проведения расчетов в лаборатории имеется 68-ядерный вычислительный кластер, работающий под 64-разрядной операционной системой Linux, который состоит из процессоров Intel 3-го, 6-го, 8-го, 10-го и 11-го поколений с объемом оперативной памяти до 10 ГБайт на ядро и дисковой памятью около 10 ТБайт. Взаимодействие в кластере организовано с использованием протокола MPI и гигабитной сети Ethernet.

Публикации:


Лаборатория структурного анализа и компьютерного моделирования
На основную страницу