Supercomputer modeling of semiconductor quantum nanosystems

Authors

  • O.A. Tkachenko
  • V.A. Tkachenko

Keywords:

numerical modeling
nanostructures
two-dimensional electron gas
Landauer formula
scattering
Schroedinger equation
Poisson equation

Abstract

Numerical research of electron transport and quantum effects in nanostructures often requires solving a number of large problems dependent on external parameters like temperature, magnetic field, chemical potential, or applied voltage. When a problem fits computing capability of a single node, these calculations are naturally parallel. Taking into account the realistic geometry of structures or electron-electron interaction allowed us to find new physical effects: redirection of the ballistic electron flow in the Y-branch, fluctuations of phase and temperature dependence of Aharonov-Bohm oscillations in the ring interferometer, 0.7-feature of conductance in the quantum point contact, formation of fractal terrases of voltage distribution, and point ohmic heating in disordered antidot lattice.

New computational technologies

Downloads

Published

2012-03-26

Issue

Vol. 13 (2012): Issue 1.

Section

Section 1. Numerical methods and applications

Author Biographies

O.A. Tkachenko

Institute of Semiconductor Physics of SB RAS (ISP SB RAS)
• Senior Researcher

V.A. Tkachenko

Institute of Semiconductor Physics of SB RAS (ISP SB RAS)
• Senior Researcher

References

  1. Ткаченко О.А., Ткаченко В.А., Бакшеев Д.Г., Квон З.Д., Портал Ж.К. Электростатический потенциал, энергетический спектр и резонансы Фано в кольцевом баллистическом интерферометре на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs // Письма в ЖЭТФ. 2000. 71. 366-371.
  2. Ткаченко О.А., Ткаченко В.А., Бакшеев Д.Г. Волновые функции баллистического электрона и отрицательное магнитосопротивление в малом кольцевом интерферометре // Письма в ЖЭТФ. 2004. 79. 351-355.
  3. Ткаченко O.А., Ткаченко В.А., Квон З.Д., Латышев А.В., Асеев А.Л. Интроскопия квантовых наноэлектронных устройств // Российские нанотехнологии. 2010. 5. 117-127 // ( exttthttp: //www.edu-cons.net/atlas_last/doc/673/02.МИФИ_Ткаченко9.pdf).
  4. Ткаченко В.А., Ткаченко О.А., Квон З.Д., Асеев А.Л. Внедрение компьютерного моделирования в физику наноэлектронных устройств // Тр. I Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях». М., 2008 ( exttthttp: //www.edu-cons.net/atlas_last/doc/633/06_Ткаченко.pdf).
  5. Tkachenko O.A., Renard V.T., Pyshkin K.S., Gornyi I.V., Dmitriev A.P., Tkachenko V.A., Portal J.-C. Electron-electron interaction in multi-modal quantum point contacts // Proc. 15th Int. Symp. on Nanostructures: Physics and Technology. St. Petersburg: Ioffe Institute, 2007. 317-318.
  6. Tkachenko O.A., Renard V.T., Pyshkin K.S., Gornyi I.V., Hirayama Y. Boundary-mediated electron-electron interactions in quantum point contacts // Phys. Rev. Lett. 2008. 100. 186801.
  7. Tkachenko O.A., Tkachenko V.A., Kvon Z.D., Baksheev D.G., Portal J.-C., Aseev A.L. Steering of electron wave in three-terminal small quantum dot // Proc. 13th Int. Symp. on Nanostructures: Physics and Technology. St. Petersburg, 2005. 8-9.
  8. Tkachenko O.A., Tkachenko V.A., Kvon Z.D., Aseev A.L., Portal J.-C. Quantum interferential Y-junction switch // Nanotechnology. 2012. 23. 095202.
  9. Tkachenko O.A., Tkachenko V.A., Renard V.T., Portal J.-C., Aseev A.L. Scanning gate microscopy/spectroscopy of quantum channel with constriction: tip voltage controlled electron wave direction in Y-junction // Proc. 15th Int. Symp. on Nanostructures: Physics and Technology. St. Petersburg: Ioffe Institute, 2007. 297-298.
  10. Tkachenko O.A., Tkachenko V.A., Baksheev D.G., Portal J.-C. Mesoscopical behavior of Aharonov-Bohm effect in small ring interferometer // Proc. 13th Int. Symp. on Nanostructures: Physics and Technology. St. Petersburg, 2005. 205-206.
  11. Миньков Г.М., Шерстобитов А.А., Ткаченко В.А., Ткаченко О.А. Переход к перколяции и прыжковой проводимости в структурах с двумерным разупорядоченным массивом антиточек // Тр. IX Российской конференции по физике полупроводников. Новосибирск-Томск, 2009. 108.
  12. Ткаченко O.А., Ткаченко В.А., Portal J.-C., Квон З.Д., Латышев А.В., Асеев А.Л. Моделирование полупроводниковых квантовых наноустройств // Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности / Под ред. Садовничего В.А., Савина Г.И., Воеводина Вл.В. М: Изд-во Моск. ун-та, 2010. 55-62 ( exttthttp: //hpc-russia.ru/book2/8.pdf).
  13. Cahay M., McLennan M., Datta S. Conductance of an array of elastic scatterers: a scattering-matrix approach // Phys. Rev. B. 1988. 37. 10125-10136.
  14. Takagaki Y., Ferry D.K. Conductance of quantum waveguides with a rough boundary // J. Phys. Condens. Matter. 1992. 4. 10421-10432.
  15. Ando T. Quantum point contacts in magnetic fields // Phys. Rev. B. 1991. 44. 8017-8027.
  16. Usuki T., Saito M., Takatsu M., Kiehl R.A., Yokoyama N. Numerical analysis of ballistic-electron transport in magnetic fields by using a quantum point contact and a quantum wire // Phys. Rev. B. 1995. 52. 8244-8255.
  17. Topinka M.A., LeRoy B.J., Shaw S.E. J., Heller E.J., Westervelt R.M., Maranowski K.D., Gossard A.C. Imaging coherent electron flow from a quantum point contact // Science 2000. 289. 2323.
  18. Jura M.P., Topinka M.A., Grobis M., Pfeiffer L.N., West K.W., Goldhaber-Gordon D. Electron interferometer formed with a scanning probe tip and quantum point contact // Phys. Rev. B. 2009. 80. 041303.