柯友启课题组介绍
| 课题组长 |  |
|
| 研究介绍 | |
第一性原理方法具有广泛应用性，对于新材料、新器件、新工艺的研发非常重要，应用领域已经覆盖物理，化学，材料，生物等。我们课题组的研究主要集中在第一性原理密度泛函计算方法，基于非平衡态格林函数（NEGF）的量子输运计算方法，高度无序材料的平均场计算方法，及它们的结合来实现真实材料和器件特性（电子，自旋，声子）的仿真。目前我们已经完成了一系列方法的开发，正在形成一个材料和器件仿真模拟的软件系统SIGMAX（目前课题组专注发展的目标）。我们已经完成的主要代表性工作包括： 1，基于标量相对论（Scalar Relativistic） Exact Muffin-Tin Orbital（EMTO） 的纳米电子器件的第一性原理计算方法； 2，基于全相对论（Fully Relativistic）EMTO (Dirac方程）的第一性原理纳米电子器件的计算方法； 3，基于全相对论EMTO的非共线磁性的自旋电子学器件量子输运计算方法：自旋流，自旋torque（涵盖自旋Hall效应，反常Hall效应的仿真)； 4，基于EMTO发展非平衡态动力学团簇平均场理论实现无序器件输运性质的第一性原理计算（包括了无序杂质散射的非局域关联效应以及团簇型缺陷的仿真能力)； 5，针对非对角（off-diagonal） 无序的理论难题，首次提出具有一般性的辅助平均场理论方法， 实现了含有重要Anderson-type非对角无序合金的仿真；（自1960s提出的处理无序的平均场方法是基于基本的embedding图像，提供了一种局域近似方法，根本上排斥了非对角无序（由于它的非局域特性，构成平均场方法近50年的难点）。需要发展对无序Hamiltonian新的数学描述方法。） 6，针对无序器件输运，我们结合NEGF和多体微扰理论发展了普适非平衡态顶角修正的方法并结合第一性原理方法来实现器件current-current关联函数的计算，为研究无序纳米器件中的量子输运统计（quantum transport statistics），散粒噪声 （shot noise），性能涨落（random fluctuation）提供了有效方法。 目前小组正在开展的研究工作包括： 1，开发全电子全势的屏蔽球面波第一性原理方法来实现高精度总能和力的计算，并为关联性强的材料体系的高效高阶理论仿真提供基础； 2，发展辅助平均场方法来处理含有非对角无序的Anderson-Hubbard模型，为仿真无序强关联材料提供方法； 3，开发高效非平衡态格林函数数值计算新方法和并行计算，提升器件输运的仿真尺度； 4，开发基于高精度谱方法的密度泛函计算。 为什么选择开发EMTO基的第一性原理计算方法？ 我们研究的第一性原理方法是基于最小完备的Hankel球面波函数的，通过基于物理的屏蔽技术来实现高度局域化基组函数，即屏蔽球面波，实现对电子系统Hamiltonian的最小表示（minimal representation），对于高效第一性原理全电子计算材料和器件具有重要的应用。 EMTO是一种独特的缀加（augmented）屏蔽球面波方法，“Exact”反应出基组的高精度。之前我们主要完成开发了第一性原理计算无序器件和材料的方法。目前我们发展的重点放在了全势方法的研发上，主要要解决高精度总能和力的计算中遇到的数学物理方法上的难点问题。 我们欢迎对第一性原理材料和器件输运仿真和计算方法感兴趣的同学来联系和讨论，课题组每年会招收1-2名硕博连读研究生和指导1名本科生论文。 课题组2023年暑假期间招收2-3名优秀本科生来参与到我们的算法和程序的开发工作，不限年级和专业，希望有较好的科学编程能力。 博士后招聘信息：课题组招聘第一性原理材料光谱计算，自旋/纳米电子学器件仿真,第一性原理方法发展方向的博士后研究人员，待遇优厚，请直接联系柯友启老师。(长期有效） |
| 代表性工作 | |
1，Q.Wei, J.Zhai, Z.Ning and Y.Ke*, Mean-field approach for Anderson-type off-diagonal disorder, Phys. Rev. B 106, 214205 (2022).
2, Z. Chen#, Q. Zhang#, Y. Zhang, L. Wang, M. Sang and Y. Ke*, Exact muffin-tin orbital based fully-relativistic simulation of device materials: electron’s charge and spin transport, Phys. Rev. B,102. 035405 (2020).
3, Y. Zhang, J. Zhai, Z. Chen, Q. Zhang, andY. Ke*, First-principles non-equilibrium dynamical cluster theory for quantum transport simulation of disordered nano-electronic device, Phys. Rev. B. 104, 115412 (2021).
4, Q. Zhang#, J. Yan#, Y. Zhang and Y.Ke*, Exact muffin tin orbital based first-principles method for electronic-structure and electron-transport simulation of device materials,Phys. Rev. B 100.075134 (2019).
5, Z. Cheng, J. Zhai, Q. Zhang and Y. Ke*, Auxiliary coherent medium theory for lattice vibrations in random binary alloys with mass and force-constant disorders,Phys. Rev. B 99.134202 (2019).
6. J. Yan, S. Wang, K. Xia, and Y. Ke*. First-principles quantum transport method for disordered nanoelectronics: Disorder-averaged transmission, shot noise, and device-to-device variability. Phys. Rev. B 95, 125428 (2017).
7, J. Yan and Y. Ke*, Generalized non-equilibrium vertex correction in coherent medium theory for quantum transport simulation of disordered nano-electronics, Phys. Rev. B 94, 045424 (2016).
| 本组成员 | |
现有成员：张青云（研究助理教授），张爱霞，陈志义，翟剑雄，崔荣杰，汤明发，张泽磊，胡超宇
毕业博士：
严佳伟 （2019，Postdoc with Prof.Philip Werner),
向龙俊（2021，Postdoc with Prof.Jian Wang),
魏琪（2022，深圳超算），
张羽（2022，深圳超算）
毕业本科生：
1, Zihan Cheng (Ph.D.student, Austin Physics)
2, Mankun Sang (Ph.D. student, The Johns Hopkins University)
3, Rui Xue (Ph.D. student, University of Pittsburgh)
下面我们将简明介绍课题组目前研究和运用的理论和计算方法：我将尽快在学会如何创建网页以后陆续发布各个理论细节 （：）... ...（：）。
（一）高度无序材料的平均场计算方法
（二）基于Hankel函数的屏蔽球面波
（三）缀加屏蔽球面波之EMTO
（四）非平衡态电子系统的计算方法
（五）基于非平衡态格林函数的稳态量子输运计算
（六）无序器件输运的非平衡态平均场计算
（七）第一性原理密度泛函理论
（八）全相对论密度泛函理论
（九）多体微扰理论方法