QuantumATK: интегрированная платформа инструментов для электронного моделирования и моделирования на атомном уровне

QuantumATK представляет собой интегрированный набор инструментов для моделирования на атомном уровне, разрабатываемый с 2003 года профессиональными инженерами-программистами совместно с академическими исследователями. Хотя различные аспекты и отдельные модули платформы уже были представлены ранее, цель данной статьи — дать общее представление о платформе. Расчётные ядра QuantumATK позволяют выполнять расчёты электронной структуры с использованием теории функционала плотности или гамильтонианов в рамках приближения сильной связи, а также применять связанные или реакционные эмпирические силовые поля с различными параметризациями. Теория функционала плотности реализована либо на основе плоских волн, либо посредством разложения электронных состояний по линейной комбинации атомных орбиталей. Платформа включает обширный набор современных модулей, в том числе методы функций Грина для моделирования электронного транспорта и расчётов поверхностей, первопринципные взаимодействия электронов с фононами и фотонами, моделирование теплопереноса на атомном уровне, динамику ионов, спинтронику, оптические свойства материалов, статическую поляризацию и многое другое. Бесшовная интеграция различных расчётных ядер в рамках единой платформы позволяет легко комбинировать разные методы моделирования в сложные рабочие процессы. Помимо общего обзора и представления ряда ранее не публиковавшихся деталей реализации, мы приводим четыре различных примера применения. К ним относятся расчёты подвижности, ограниченной рассеянием на фононах, для Cu, Ag и Au; электронного транспорта в управляемом затвором двумерном устройстве; мультимодельное моделирование дрейфа ионов лития через катод аккумулятора во внешнем электрическом поле; а также расчёты электронной структуры запрещённой зоны сплавов SiGe в зависимости от состава.