論文の概要: Ab initio framework for systems with helical symmetry: theory, numerical
implementation and applications to torsional deformations in nanostructures
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2008.02267v2
- Date: Wed, 2 Jun 2021 18:52:50 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-05-07 02:15:03.914270
- Title: Ab initio framework for systems with helical symmetry: theory, numerical
implementation and applications to torsional deformations in nanostructures
- Title（参考訳）: ヘリカル対称性を持つ系のAb initioフレームワーク:理論、数値的実装およびナノ構造におけるねじり変形への応用
- Authors: Amartya S. Banerjee
- Abstract要約: 我々は、ヘリカル対称性を持つナノ構造のための自己整合第一原理シミュレーション法であるヘリカルDFTを定式化し、実装する。
ヘリカルナノ構造に対する単一電子問題に対する特殊解の存在と完全性について厳密に証明する。
ジグザグおよびキラル単一壁黒蛍光体ナノチューブの特性について検討した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: We formulate and implement Helical DFT -- a self-consistent first principles
simulation method for nanostructures with helical symmetries. Such materials
are well represented in all of nanotechnology, chemistry and biology, and are
expected to be associated with unprecedented material properties. We rigorously
demonstrate the existence and completeness of special solutions to the single
electron problem for helical nanostructures, called helical Bloch waves. We
describe how the Kohn-Sham Density Functional Theory equations for a helical
nanostructure can be reduced to a fundamental domain with the aid of these
solutions. A key component in our mathematical treatment is the definition and
use of a helical Bloch-Floquet transform to perform a block-diagonalization of
the Hamiltonian in the sense of direct integrals. We develop a symmetry-adapted
finite-difference strategy in helical coordinates to discretize the governing
equations, and obtain a working realization of the proposed approach. We verify
the accuracy and convergence properties of our numerical implementation through
examples. Finally, we employ Helical DFT to study the properties of zigzag and
chiral single wall black phosphorus (i.e., phosphorene) nanotubes. We use our
simulations to evaluate the torsional stiffness of a zigzag nanotube ab initio.
Additionally, we observe an insulator-to-metal-like transition in the
electronic properties of this nanotube as it is subjected to twisting. We also
find that a similar transition can be effected in chiral phosphorene nanotubes
by means of axial strains. Notably, self-consistent ab initio simulations of
this nature are unprecedented and well outside the scope of any other
systematic first principles method in existence. We end with a discussion on
various future avenues and applications.
- Abstract（参考訳）: 我々は、ヘリカル対称性を持つナノ構造のための自己整合第一原理シミュレーション法であるヘリカルDFTを定式化し、実装する。
このような材料は、ナノテクノロジー、化学、生物学のあらゆる分野でよく表現されており、前例のない材料特性と関連していると期待されている。
我々は、ヘリカルブロッホ波と呼ばれるヘリカルナノ構造の単一電子問題に対する特別な解の存在と完全性を示す。
ヘリカルナノ構造に対するコーン・シャム密度汎関数論方程式は、これらの解の助けを借りて基本領域に還元される。
我々の数学的処理における重要な要素は、直接積分の意味でハミルトニアンのブロック対角化を実行するためのヘリカルブロッホ・フロケット変換の定義と利用である。
ヘリカル座標における対称性適応有限差分戦略を開発し、支配方程式を識別し、提案手法の動作実現を実現する。
数値的な実装の精度と収束性を例を通して検証する。
最後に、ヘリカルDFTを用いてジグザグとキラル単一壁黒蛍光体(すなわち、リン)ナノチューブの特性を研究する。
我々はシミュレーションを用いてジグザグナノチューブのねじり剛性を評価する。
さらに, このナノチューブの電子特性は, 絶縁体から金属への遷移を観察する。
また, キラルなホスホレンナノチューブでは, 軸方向のひずみにより同様の遷移が促進されることがわかった。
特に、この性質の自己整合ab慣性シミュレーションは前例がなく、他の体系的第一原理法の範囲外である。
最後に、様々な将来の道と応用について議論する。
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