Суперкомпьютерные расчеты свойств кристаллов и низкоразмерных структур из первых принципов

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, -- Р. Малликену, В. Кону и Дж. 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 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 вычислительный кластер, работающий под 64-разрядной операционной системой Linux, который состоит из 10 узлов с двухъядерными процессорами Intel E8200, E8400 и четырехъядерными процессорами Intel i5-760 (объем оперативной памяти 48 ГБайт, дисковая память 2 ТБайт, пиковая производительность 270 Гфлоп). Взаимодействие в кластере организовано с использованием протокола OpenMPI и гигабитной сети Ethernet. Наиболее ресурсоемкие вычисления проводятся на наиболее мощных в настоящее время суперкомпьютерах России -- суперкомпьютере СКИФ МГУ ("Чебышев") и суперкомпьютере "Ломоносов".

Публикации:

• А.И. Лебедев. Электронная структура и фононный спектр теллурида свинца с примесью индия: расчеты из первых принципов. -- Тез. докл. VIII Российской конф. по физ. полупроводников (Екатеринбург, 2007), с. 74.

• А.И. Лебедев. Расчеты свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO₃/SrTiO₃ из первых принципов. -- Сб. докл. научн. конф. "Ломоносовские чтения", секция физики, апрель 2008 г., физфак МГУ, с. 91-94.

• А.И. Лебедев. Первопринципные расчеты свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO₃/SrTiO₃. -- Тез. докл. Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-18, Санкт-Петербург, 2008), с. 92.

• А.И. Лебедев. Ab initio расчеты фононных спектров в кристаллах перовскитов ATiO₃ (A = Ca, Sr, Ba, Ra, Cd, Zn, Mg, Ge, Sn, Pb). -- Физика твердого тела, т. 51, в. 2, с. 341-350 (2009).

• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрический фазовый переход в орторомбическом CdTiO₃: расчеты из первых принципов. -- Физика твердого тела, т. 51, в. 4, с. 757-763 (2009).

• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрические явления в CdSnO₃: исследования из первых принципов. -- Физика твердого тела, т. 51, в. 9, с. 1766-1770 (2009).

• А.И. Лебедев. Ab initio исследования диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих свойств сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO₃/SrTiO₃. -- Физика твердого тела, т. 51, в. 11, с. 2190-2198 (2009).

• А.И. Лебедев. Основное состояние и свойства сегнетоэлектрических сверхрешеток на основе кристаллов семейства перовскита. -- Физика твердого тела, т. 52, в. 7, с. 1351-1364 (2010).

• А.И. Лебедев. Квазидвумерное сегнетоэлектричество в сверхрешетках KNbO₃/KTaO₃. -- Физика твердого тела, т. 53, в. 12, с. 2340-2344 (2011).

• A.I. Lebedev. Ground-state structure of KNbO₃/KTaO₃ superlattices: Array of nearly independent ferroelectrically ordered planes. -- e-print arXiv:1102.1001 (2011); Physica Status Solidi B 249, 789 (2012).

• A.I. Lebedev. Dielectric, piezoelectric, and elastic properties of BaTiO₃/SrTiO₃ ferroelectric superlattices from first principles. -- e-print arXiv:1105.5828 (2011); J. Adv. Dielectrics 2, 1250003 (2012).

• А.И. Лебедев. Ab initio расчеты нелинейно-оптических свойств нелегированных и легированных Zr и Nb кристаллов KTiOPO₄. -- Тез. докл. XIX Всеросс. конф. по физике сегнетоэлектриков (Москва, 2011), с. 98.

• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектричество и индуцированные давлением фазовые переходы в HgTiO3. -- Физика твердого тела, т. 54, в. 8, с. 1559-1564 (2012).

• A.I. Lebedev. First-principles study of ferroelectricity and pressure-induced phase transitions in HgTiO₃. -- e-print arXiv:1203.2370 (2012); Phase Transitions 86, 442 (2013).

• A.I. Lebedev. Crystal structure and properties of barium thorate BaThO₃ from first principles. -- e-print arXiv:1302.5614 (2013); J. Alloys and Compounds 580, 487 (2013).

• А.И. Лебедев. Свойства сегнетоэлектрических сверхрешеток BaTiO₃/BaZrO₃ с конкурирующими неустойчивостями. -- Физика твердого тела, т. 55, в. 6, с. 1110-1118 (2013).

• А.И. Лебедев, И.А. Случинская. Структурная неустойчивость в кристаллах BaZrO₃: расчеты и эксперимент. -- Физика твердого тела, т. 55, в. 9, с. 1825-1829 (2013).

• A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya. Combined first-principles and EXAFS study of structural instability in BaZrO₃. -- e-print arXiv:1304.6359 (2013).

• А.И. Лебедев. Разрывы зон в гетеропереходах, образованных оксидами с кубической структурой перовскита. -- Физика твердого тела, т. 56, в. 5, с. 1000-1008 (2014).

• А.И. Лебедев. Сегнетоэлектрические свойства RbNbO₃ и RbTaO₃. -- Физика твердого тела, т. 57, в. 2, с. 316-320 (2015).

• A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya. Combined first-principles and EXAFS study of structural instability in BaZrO₃. -- J. Adv. Dielectrics 5, 1550019 (2015); e-print arXiv:1304.6359 (2013).

• M.A. Terekhin, V.N. Makhov, A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya. Effect of local environment on crossluminescence kinetics in SrF₂:Ba and CaF₂:Ba solid solutions. -- Journal of Luminescence 166, 137 (2015); e-print arXiv:1506.02325 (2015).

• А.И. Лебедев. Фазовые переходы и метастабильные состояния в напряженных пленках SrTiO₃. -- Физика твердого тела, т. 58, в. 2, с. 292-300 (2016).

• A.I. Lebedev. Metastability effects in strained and stressed SrTiO₃ films. -- J. Adv. Dielectrics 6, 1650016 (2016); e-print arXiv:1509.00902 (2015).

• А.И. Лебедев. Нелинейно-оптические свойства нелегированных и легированных Zr и Nb кристаллов KTiOPO₄. -- Известия РАН, серия физическая, т. 80, в. 9, с. 1137-1140 (2016).

• R.B. Vasiliev, A.I. Lebedev, E.P. Lazareva, N.N. Shlenskaya, V.B. Zaytsev, A.G. Vitukhnovsky, Y. Yao, K. Sakoda. High-energy exciton transitions in quasi-two-dimensional cadmium chalcogenide nanoplatelets. -- Phys. Rev. B 95, 165414 (2017); e-print arXiv:1703.08960 (2017).

• A.I. Lebedev. Lattice dynamics of quasi-two-dimensional CdSe nanoplatelets and their Raman and infrared spectra. -- Phys. Rev. B 96, 184306 (2017), e-print arXiv:1707.05444 (2017).

• A.I. Lebedev. Ferroelectricity and piezoelectricity in monolayers and nanoplatelets of SnS. -- J. Appl. Phys. 124, 164302 (2018); e-print arXiv:1805.08437 (2018).

• И.А. Случинская, А.И. Лебедев. Новая магнитная нецентральная примесь -- кобальт в титанате стронция. Физика твердого тела 61, 521 (2019).

• A.I. Lebedev. Negative thermal expansion in CdSe quasi-two-dimensional nanoplatelets. -- Phys. Rev. B 100, 035432 (2019); e-print arXiv:1908.04581 (2019).

• Е.М. Рогинский, Ю.Ф. Марков, А.И. Лебедев. Структура, динамические и нелинейные оптические свойства кристаллов Hg₂F₂. -- Журнал экспериментальной и теоретической физики 155, 855 (2019).

• I.A. Sluchinskaya, A.I. Lebedev. Electronic and magnetic properties of structural defects in SrTiO3(Co). -- J. Alloys and Compounds 820, 153243 (2020); e-print arXiv:1912.10711 (2019).

• A.I. Lebedev. Piezoelectric properties of II-IV/I-V and II-IV/III-III ferroelectric perovskite superlattices. -- Ferroelectrics 567, 89 (2020).

• A.I. Lebedev. Piezoelectric properties of ferroelectric perovskite superlattices with polar discontinuity. -- Computational Materials Science 188, 110113 (2021); e-print arXiv:2012.08817 (2020).
• A.I. Lebedev, B.M. Saidzhonov, K.A. Drozdov, A.A. Khomich, R.B. Vasiliev. Raman and infrared studies of CdSe/CdS core/shell nanoplatelets. -- Journal of Physical Chemistry C 125, 6758 (2021).