Многомасштабное квантовое моделирование процесса структурного фазового перехода и теплового пробоя в наноточке аморфного углерода

В научно-исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе была проведена серия экспериментов, в которых была показана возможность создания памяти на фазовых переходах на основе аморфного углерода.В работе предложена многомасштабная модель памяти на фазовом переходе. Процесс моделируется самосогласованно на трех уровнях. На первом уровне проводятся вычисления квантовой молекулярной динамики из первых принципов c учетом пространственного распределения температуры. Временная эволюция электронной структуры моделируется на втором уровне с использованием редуцированной молекулярной динамики Эренфеста в окрестности фазового перехода второго рода. На третьем уровне вычисляется новое пространственное распределение температуры с помощью уравнения теплопроводности в сплошной среде. Вычисления проводились на суперкомпьютере IBM Blue Gene/P, установленном на факультете ВМК МГУ. В работе показано, что образование графитовой послойной структуры под действием температуры приводит к локализованной по пространству зависимости проводимости. А тепловая неустойчивость, поддерживающая структуру, вызывается пространственно локализованным джоулевым источником, пропорциональным температуре. Такое поведение может объяснить возникновение s-образной формы вольт-амперной характеристики, наблюдаемой в эксперименте.