요약본 (Summary):
PyAtoms is an interactive software tool designed for simulating atomic scanning tunneling microscopy (STM) images of two-dimensional (2D) layered materials, moiré systems, and superlattices. The software relies on a Fourier-space description of ideal atomic lattice images and is written in Python with the use of libraries such as NumPy, SciPy, Matplotlib, and PyQt5. PyAtoms offers robust capabilities for tuning various parameters like lattice constants, strain, number of layers, twist angles, STM imaging parameters (pixels, scan size, scan angle), and provides time estimates for spectroscopic measurements. This feature enables users to efficiently plan long-term STM experiments.
The software simulates images for several 2D material systems such as graphene with variable sublattice asymmetry, twisted tri-layer graphene moiré systems, charge- and bond-density wave systems (e.g., 2H-NbSe2, 1T-TaS2) and Kekulé-distorted graphene, among others. PyAtoms’ unique ability to simulate complex STM and FT-STM moiré patterns in real-time makes it a valuable tool for both novice and advanced researchers and educators.
In summary, PyAtoms is an open-source software that efficiently simulates atomic-scale scanning tunneling microscopy images of 2D materials, moiré systems, and superlattices, providing users with robust capabilities to tune various parameters and estimate measurement times
Pyatoms는 2 차원 (2D) 층 재료, Moiré Systems 및 Superlattices의 Atomic Scanning Tunning Microscopy (STM) 이미지를 시뮬레이션하도록 설계된 대화 형 소프트웨어 도구입니다. 이 소프트웨어는 이상적인 원자 격자 이미지에 대한 푸리에 공간 설명에 의존하며 Numpy, Scipy, Matplotlib 및 PYQT5와 같은 라이브러리를 사용하여 Python으로 작성됩니다. Pyatoms는 격자 상수, 변형, 층 수, 트위스트 각도, STM 이미징 매개 변수 (픽셀, 스캔 크기, 스캔 각도)와 같은 다양한 매개 변수를 조정하는 강력한 기능을 제공하며 분광 측정에 대한 시간 추정치를 제공합니다. 이 기능을 통해 사용자는 장기 STM 실험을 효율적으로 계획 할 수 있습니다.
이 소프트웨어는 가변 변수 비대칭, 트위스트 트리 층 그래 핀 모이 레 시스템, 충전 및 본드 밀도 웨이브 시스템 (예 : 2H-NBSE2, 1T-TAS2) 및 Kekulé-Distorted Graphene 등의 그래 핀과 같은 여러 2D 재료 시스템의 이미지를 시뮬레이션합니다. Pyatoms의 복잡한 STM 및 FT-STM Moiré 패턴을 실시간으로 시뮬레이션하는 독특한 능력은 초보자 및 고급 연구원 및 교육자 모두에게 귀중한 도구입니다.
요약하면, Pyatoms는 2D 재료, Moiré Systems 및 Superlattice의 원자 규모 스캐닝 터널링 현미경 이미지를 효율적으로 시뮬레이션하는 오픈 소스 소프트웨어입니다. 다양한 매개 변수를 조정하고 측정 시간을 추정 할 수있는 강력한 기능을 제공합니다.
Excerpt from PDF:
PyAtoms: An interactive tool for rapidly simulating atomic scanning tunneling microscopy images of 2D materials, moir´e systems and superlattices C. Guti´errez and A. G. Prado Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, Los Angeles, California, 90095 USA E-mail: gutierrez@physics.ucla.edu Abstract. We present PyAtoms, an interactive open-source software that quickly and easily simulates atomic-scale scanning tunneling microscopy (STM) images of two- dimensional (2D) layered materials, moir´e systems, and superlattices. Rooted in a Fourier-space description of ideal atomic lattice images, PyAtoms is a Python-based graphical user interface (GUI) with robust capabilities for tuning lattice parameters (lattice constants, strain, number of layers, twist angles) and STM imaging parameters (pixels, scan size, scan angle) and provides time estimates for spectroscopic measurements. These capabilities allow users to efficiently plan time-consuming STM experiments. We provide an overview of PyAtoms’ current features, describe its underlying mathematical principles, and then demonstrate simulations of several 2D materials including graphene with variable sub-lattice asymmetry, twisted tri-layer graphene moir´e systems, and charge- and bond-density wave systems (2H-NbSe2, 1T-TaS2, Kekul´e-distorted graphene, K0.3MoO3). Finally, we show that PyAtoms can be used as a useful educational tool in entry- and senior-level physics courses. arXiv:2412.18332v1 [cond-mat.mes-hall] 24 Dec 2024 PyAtoms: A tool for simulating atomic scanning tunneling microscopy images 2 1. Introduction Scanning tunneling microscopy (STM) [1] is a powerful technique for investigating the atomic-scale electronic and structural properties of materials [2]. In STM, an atomically sharp tip is rastered across a conductive sample surface while recording the current of electrons tunneling from the tip to the sample, or vice versa. The tunneling current is proportional to the energy- integrated local density of states (LDOS), and can thus provide valuable insights into the spatially-dependent electronic properties of novel quantum materials such as high-temperature superconductors [3, 4], charge- or bond-density wave systems [5, 6, 7], and two- dimensional (2D) van der Waals structures and moir´e superlattices [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. A drawback of STM measurements is that they are notoriously time-consuming: Depending on the particular imaging mode (topography or spectroscopy), the time to complete a measurement can take minutes to several days. In a STM topography measurement, the STM tip rapidly scans the surface (typical scan rate of ∼1 Hz) at a single tunneling energy while recording the tunnel current line-by- line; in a STM spectroscopy measurement, the tunnel current and/or the differential conductance, dI/dVb ∝ LDOS(eVb), (where I is the tunnel current, Vb is the voltage bias, and e is the elementary charge), is slowly measured pixel-by-pixel at one or several tunneling energies. The choice of spatial resolution is especially important for spectroscopic measurements, where the Fourier-transformed STM (FT-STM) image can display intricate electronic scattering patterns – called quasi-particle interference (QPI) patterns – that are directly related to constant energy cuts of the momentum-resolved electronic band structure [4, 18]. The significant time commitment of STM imaging in real- or reciprocal-space thus makes it absolutely crucial for researchers to somehow determine the suitable imaging parameters prior to …더보기
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번역 (Translation):
Pyatoms : 2D 재료, Moir´e 시스템 및 Superlattices C. Guti´errez 및 A.G. Prado 물리학과 천문학, 캘리포니아 대학교, 로스 앤젤레스, 90095 미국 전자 메일 : Gutierrez@gutierrez@gutierrez@gutierrez@ucla .ucla. 우리는 2 차원 (2D) 층의 재료, Moir´e 시스템 및 초강력의 원자 규모 스캐닝 터널 현미경 (STM) 이미지를 빠르고 쉽게 시뮬레이션하는 대화식 오픈 소스 소프트웨어 인 Pyatoms를 제시합니다. 이상적인 원자 격자 이미지에 대한 푸리에 공간 설명에 응시 된 Pyatoms는 격자 상수 (격자 상수, 변형, 트위스트 각도, 트위스트 각도) 및 STM 이미징 파라미터 (스캔 크기, 스캔 각도)를 조정하는 강력한 기능을 갖춘 Python 기반 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)입니다. 이러한 기능을 통해 사용자는 시간이 많이 걸리는 STM 실험을 효율적으로 계획 할 수 있습니다. 우리는 Pyatoms의 현재 기능에 대한 개요를 제공하고, 기본 수학적 원리를 설명한 다음, 가변 하위 격자 비대칭, 꼬인 트라이 층 그래 핀 Moir´e 시스템 및 결합 밀도 웨이브 시스템 (2H-NBSE2, 1T-TAS2, KEKUL´E-DOPTERD GRAPHENE, K0.3MOO3)을 포함한 여러 2D 재료의 시뮬레이션을 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 pyatom이 입학 및 시니어 수준의 물리 과정에서 유용한 교육 도구로 사용될 수 있음을 보여줍니다. ARXIV : 2412.18332V1 [Cond-Mat.Mes-Hall] 24 12 월 24 일 Pyatoms : 원자 스캐닝 터널링 현미경 이미지를 시뮬레이션하는 도구 2 1. 스캐닝 터널링 현미경 (STM) [1]은 원자 범위 전자 및 재료의 구조적 특성을 조사하기위한 강력한 기술입니다 [2]. STM에서, 원자 적으로 날카로운 팁은 전자 전자 터널의 전류를 팁에서 샘플로 기록하는 동안 전도성 샘플 표면을 가로 질러 균형을 잡는다. 터널링 전류는 에너지 통합 국가 밀도 (LDO)에 비례하므로 고온 초전도체 [3, 4]와 같은 새로운 양자 재료의 공간적으로 의존적 인 전자 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공 할 수 있습니다 [3, 4], 전하 또는 채권 밀도 체계 [5, 6, 7] 및 2 차원 (2D)의 구조물 (2D). 9, 10, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. STM 측정의 단점은 특정 이미징 모드 (지형 또는 분광법)에 따라 측정을 완료하는 시간은 며칠에서 며칠이 걸릴 수 있습니다. STM 지형 측정에서, STM 팁은 터널 전류 라인을 기록하면서 단일 터널링 에너지에서 표면 (일반적인 스캔 속도 ~ 1 Hz)을 빠르게 스캔합니다. STM 분광법 측정에서, 터널 전류 및/또는 차동 전도도, DI/DVB ∝ LDOS (EVB) (여기서 I는 터널 전류, VB는 전압 바이어스이고 E는 기본 전하)를 천천히 측정합니다. 공간 분해능의 선택은 분광 측정에 특히 중요하며, 푸리에 변환 된 STM (FT-STM) 이미지가 복잡한 전자 산란 패턴 (QPI) 패턴이라고하는 복잡한 전자 산란 패턴을 표시 할 수 있습니다. 실제 또는 상호 공간에서 STM 이미징의 상당한 시간 약속은 연구자들이 어떻게 든 적합한 이미징 매개 변수를 결정하는 것이 …
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