Browsing by Author "Torsti, Tuomas"

Now showing 1 - 6 of 6
  • No Thumbnail Available
    Item
    Electron fields in radiotherapy: evaluating the accuracy of dose calculation
    (2008) Viitala, Antti; Torsti, Tuomas; Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Meriläinen, Pekka
  • No Thumbnail Available
    Item
    Electronic properties of nanostructures on solid surfaces
    (2005) Hakala, Tero; Torsti, Tuomas; Puska, Martti; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Puska, Martti
    Kokeellisen fysiikan kehitys viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana on mahdollistanut nykyisen intensiivisen nano- ja atomikokoluokan rakenteiden tutkimuksen. Nämä rakenteet ovat valmistettu erilaisilla kiteenkasvatusmenetelmillä tai tunnelointielektronimikroskoopin avulla, joka on mahdollistanut jopa yksittäisten atomien liikuttelun ja asettelun halutulla tavalla. Rakenteiden ominaisuudet määräytyvät kvanttimekaniikan laeista. Monia mielenkiintoisia uusia ilmiöitä onkin havaittu, mikä puolestaan on siivittänyt teoreettista tutkimusta, ja ymmärryksemme monen kappaleen kvantti-ilmiöistä kondensoituneen aineen fysiikassa on parantunut huomattavasti. Lisäksi monet uusista ilmiöistä tulevat epäilemättä esittämään keskeistä osaa esim. alati pienenevissä elektroniikan komponenteissa. Laskennalliset menetelmät auttavat oleellisesti koetulosten analysointia. Tässä työssä on jatkettu laskentamenetelmien kehittelyä Fysiikan laboratorion ja CSC:n MIKA/cyl2 projektin yhteydessä. MIKA on ohjelmistopaketti, jonka avulla elektronirakenteiden tiheysfunktionaaliteorian yhtälöt ratkaistaan näppärästi ns. moniverkko menetelmillä paikka-avaruudessa. Työssä rajoituttiin tarkastelemaan systeemejä, jotka voidaan mallintaa sylinterisymmetrisessä geometriassa, jolloin numeerinen ongelma helpottuu merkittävästi. Toteutimme Cu (III) pinnan keskeiset ominaisuudet kuvaavan yksiulotteisen pseudopotentiaalimallin, pinnan nanorakenteet puolestaan toteutettiin Jellium-malleilla. Nämä yksinkertaiset mallit kuvaavat riittävän hyvin monia keskeisiä fysiikan ilmiöitä, mutta useita tuhansia elektroneja sisältävien systeemien ratkaiseminen on edelleen hyvin vaativa ongelma. Tilannetta parantaaksemme toteutimme ns. lineaariseen vasteeseen perustuvan iteraatiomenetelmän Kohn-Sham yhtälöiden ratkaisemiseksi ja siinä tarvittavat numeeriset algoritmit. Varsinkin isojen systeemien käsittely nopeutui tämän ansiosta huomattavasti. Tutkimme elektronirakenteita sylinterimäisissä kvanttipisteissä ja kvanttiaitauksissa Cu (III) pinnalla. Nämä ovat kiintoisia, koska viimeaikaiset koetulokset osoittavat, että Cu (III) pinnalle syntyvien pintaelektronitilojen ominaisuuksiin on mahdollista vaikuttaa tämänkaltaisilla rakenteilla. Niitä voidaan siten käyttää pikkuruisina "laboratorioina" tutkittaessa monen kappaleen kvantti-ilmiöitä. Lisäksi näköpiirissä on kiintoisia teknisiä sovelluksia. Kvanttipistemallimme antamat elektronitilojen energiat ja jakaumat pinnalla ovat kvantitatiivisessa sopusoinnussa mittaustulosten kanssa. Kvanttiaitaukset puolestaan näyttävät sitovat pintatiloja aitauksen sisällä aiheuttaen oskillaatioita pintaelektronitiheydessä. Tämäkin tulos sopii yhteen kokeiden kanssa. Tutkimuksen seuraava askel on nanorakenteiden viritettyjen elektronitilojen tutkiminen. Tämä edellyttää tiheysfunktionaaliteoriaa laajempaa käsittelyä. Työn tämä vaihe aloitettiin katsauksella ns. GW -menetelmään monen kappaleen teoriassa.
  • Thumbnail Image
    Item
    Electronic resonance states in metallic nanowires during thebreaking process simulated with the ultimate jellium model
    (2003-02-28) Ogando, E.; Torsti, Tuomas; Puska, M.J.; Zabala, N.; Department of Applied Physics
    We investigate the elongation and breaking process of metallic nanowires using the ultimate jellium model in self-consistent density-functional calculations of the electronic structure. In this model the positive background charge deforms to follow the electron density and the energy minimization determines the shape of the system. However, we restrict the shape of the wires by assuming rotational invariance about the wire axis. First, we study the stability of infinite wires and show that the quantum-mechanical shell structure stabilizes the uniform cylindrical geometry at the given magic radii. Next, we focus on finite nanowires supported by leads modeled by freezing the shape of a uniform wire outside the constriction volume. We calculate the conductance during the elongation process using the adiabatic approximation and the WKB transmission formula. We also observe the correlated oscillations of the elongation force. In different stages of the elongation process two kinds of electronic structures appear: one with extended states throughout the wire and one with an atom-cluster-like unit in the constriction and with well-localized states. We discuss the origin of these structures.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Electronic Structure of Quantum Wires
    (1999) Torsti, Tuomas; Puska, Martti; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Nieminen, Risto
    Tässä työssä on kehitetty tiheysfunktionaaliteorian lokaalin spin-tiheyden approksimaatioon perustuva elektronirakenteen laskentamenetelmä. Menetelmä soveltuu periodisten tai äärellisten sylinterisymmetristen systeemien mallintamiseen. Tällaisessa geometriassa kolmiulotteinen ongelma redusoituu matemaattisesti kahden muuttujan tehtäväksi. Kohn-Sham yhtälöt, jotka tästä seuraavat, ratkaistaan itseytyvästi käyttämällä sykliä, jossa Schrödingerin ja Poissonin yhtälöt ratkaistaan joka kierroksella käyttämällä pohjustettuja konjugaattigradienttimenetelmiä. Pääasiallisena sovelluskohteena on metallisen kvanttilangan mallintaminen. Nanoskooppisen liitoksen katkeamisprosessissa muodostuvaa kvanttilankaa ja sen katkeamista mallinnetaan stabiloidusta jelliumista koostuvalla langalla, jossa on parabolinen kavennus. Tämä lienee ensimmäinen kerta, kun itseytyviä elektronirakennelaskuja käytetään tällaisen jelliumkavennuksen mallintamiseen. Langan mekaanisessa jännityksessä havaitaan simulaatioissa oskillaatioita, kuten on myös kokeellisesti havaittu mallinnettavassa systeemissä. Menetelmää sovelletaan myös sekä lyhyiden että äärettömän pitkän alumiiniketjun elektronirakenteen selvittämiseen. Alumiiniatomeja mallinnetaan tässä tapauksessa Hamann-pseudopotentiaaleilla. Pitkä ketju on aiemmissa laskuissa todettu magneettiseksi, kun atomien välinen etäisyys on sama kuin lähinaapurietäisyys kiinteässä alumiinissa, eli 5.41 a_0. Myös uusi menetelmä tuotti saman tuloksen.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Real-space electronic structure calculations for nanoscale systems
    (Helsinki University of Technology, 2003-05-27) Torsti, Tuomas; Department of Engineering Physics and Mathematics; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Laboratory of Physics; Fysiikan laboratorio
    In this thesis, basic research focused on quantum systems relevant for the future nanotechnologies is presented. The research is modeling based on electronic structure calculations using the density-functional theory. For the solution of the ensuing Kohn-Sham equations, we have developed a new numerical scheme based on the Rayleigh quotient multigrid method. While an important part of the thesis is formed by software development for three-dimensional first-principles real-space electronic structure calculations, we use axially symmetric model systems in the study of nanostructures. This approximation reduces the computational demands and allows studies of rather large nanoscale systems encompassing hundreds or thousands of electrons. In addition, by restricting the geometry to the axial symmetry and resorting to jellium models, many random effects related to the detailed ionic structure are absent, and the relevant physics is easier to extract from the simulations. Nanowires can be considered as the ultimate conductors in which the atomistic confinement of electrons perpendicular to the wire and the atomistic length of the wire lead to quantum mechanical effects in cohesive and transport properties. The breaking process of a nanowire is studied using the ultimate jellium model, in which the positive background charge compensates in every point the electronic charge. Thereby, the shape of the narrowing constriction is free to vary so that the total energy is minimized. The prospect of molecular electronics is to use single molecules as circuit components. The electronic transport in atomic chains of a few Na atoms between cone-shaped leads is investigated in the thesis. Electrons residing in a Na island on the Cu(111) surface form a quantum dot system, in which the quantum mechanical confinement in all directions determines the electronic properties. We have developed a simple jellium model system which reproduces the characteristics of the confined electron states seen in scanning tunneling microscope experiments.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Real-Space Electronic-Structure Calculation of Solids
    (2002) Riikonen, Sampsa; Puska, Martti; Torsti, Tuomas; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Nieminen, Risto