Компьютерные расчеты свойств кристаллов и низкоразмерных структур из первых принципов

Задача предсказания свойств веществ 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, дело упирается в решение чрезвычайно сложных уравнений.

Огромные успехи, достигнутые в развитии вычислительной техники и технике программирования, позволяют в настоящее время получить при расчете свойств веществ исходя целиком из уравнений квантовой механики (из первых принципов, ab initio) точность, сопоставимую с получаемой в эксперименте. Эти методы расчета позволяют прогнозировать поведение веществ в экстремальных условиях (например, при сверхвысоких давлениях, недостижимых в лабораторных условиях), изучать свойства опасных (радиоактивных, взрывоопасных) веществ. Они чрезвычайно полезны для прогнозирования свойств новых соединений и низкоразмерных структур, которые только предполагается создать. Кроме того, расчеты из первых принципов позволяют глубже разобраться в сути физических явлений, происходящих в исследуемых материалах, и получить адекватную физическую информацию. 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 структур пониженной размерности (сверхрешеток, нанопластинок, наногетероструктур, квантовых нитей), содержащие 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. Рассчитываются параметры кристаллической структуры, энергии различных фаз, фононный спектр, зонная структура, спонтанная поляризация, тензор диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических и упругих модулей, тензоры квадратичной нелинейной оптической восприимчивости, рамановские и инфракрасные спектры, энтальпия смешения твердых растворов. Изучается влияние давления на происходящие в материалах фазовые переходы.

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

Для проведения расчетов в лаборатории имеется 48-ядерный вычислительный кластер, работающий под 64-разрядной операционной системой Linux, который состоит из процессоров Intel 3-го, 6-го и 8-го поколений с объемом оперативной памяти до 8 ГБайт на ядро, дисковой памятью около 10 ТБайт. Взаимодействие в кластере организовано с использованием протокола OpenMPI и гигабитной сети Ethernet.

Публикации:


Лаборатория структурного анализа и компьютерного моделирования
На основную страницу