Исследования последних лет в области изучения физических свойств атомных кластеров и молекул приобрели огромную важность. С научной точки зрения, наноструктуры, состоящие из отдельных атомов или молекул представляют собой уникальный класс материалов, изучение свойств которых позволяют понять многие явления, связанные с переходом от изолированного атома к массивным системам. С другой стороны он несет в себе важнейшие технологические изменения в области нано- и микро-электроники: создание в ближайшем будущем компактных магнитных накопителей информации, энергонезависимой резистивной памяти, а также быстрых миниатюрных устройств для цифровой логики и квантовых вычислений.
Современные экспериментально-технические средства способны создать на подложках наноструктуры определенных размеров и форм, с высокой степенью плотности и порядка, и этот процесс может регулироваться как искусственным (методом контролируемой диффузионной агрегации), так и естественным (процессами самоорганизации) способами. Образование подобных объектов может быть предметов последующего теоретического изучения атомной структуры, электронных и магнитных свойств низкоразмерных систем. Однако подобные исследования чрезвычайно сложны и требуют теоретические подходы на основе первопринципных (ab initio) и полуэмпирических расчетов, сопряженных с компьютерным экспериментом. В последнее время большие достижения в области компьютерного эксперимента были достигнуты с применением мощных вычислительных комплексов на параллельной основе (MPI/OpenMP). Эти комплексы позволили перейти к сложным моделям в описании реального межатомного взаимодействия структур низкой размерности, что позволило более тонко исследовать природу рассматриваемых явлений. Усложнение расчетных моделей дало возможность более тонко, на уровне отдельных атомов, исследовать квантовую природу рассматриваемых явлений (спиновую поляризацию атомов, ориентацию атомных спинов, обменное взаимодействие, «квантовое запутывание» и нелокальные спиновые корреляции при создании кубитов для квантовых вычислений и передачи информации, и др.).
Nanoscale (10-9m) „Quantum
corral“ Science 262, 218 (1993)
Методы исследований: теория функционала электронной плотности, метод псевдопотенциалов, первопринципная молекулярная динамика, теория обобщенного спинового гамильтониана, уравнения спиновой динамики, система компьютерной алгебры, искусственные нейронные сети, машинное обучение, высокоуровневые языки программирования, параллельные вычисления.
Вычислительные комплексы: WIEN2k, VASP, PWScf, SIESTA, SMEAGOL, Materials Studio, ASD, SPINUS, Mathematica и др., разработанные в ведущих европейских теоретических лабораториях и
установленных в ведущих высокопроизводительных вычислительных центрах МГУ и
РАН.