abTEMコード：第一原理からの透過電子顕微鏡法

透過電子顕微鏡（TEM）画像や回折パターンのシミュレーションは、実験データを解釈するためにしばしば必要です。核コアが電子散乱を支配しているため、散乱ポテンシャルは通常、価電子結合とそれが伝達電子に及ぼす影響を完全に無視した独立原子モデルを用いて記述されます。機器が進化するにつれて、新しい測定が以前は実験でアクセスできなかった散乱ポテンシャルの微妙な詳細を明らかにしました。私たちは、密度汎関数理論（DFT）を通じてポテンシャルを計算する能力を、柔軟なモジュール式ソフトウェア設計と統合することで、これらの要求に応えるために設計されたオープンソースのシミュレーションコードを作成しました。abTEMは、ほとんどの標準撮像モードをシミュレートでき、最新のアルゴリズム開発を取り入れています。新技術の開発には、広範なプログラミング経験がなくてもドメイン専門家が利用できるプログラムが必要です。abTEMは純粋にPythonで書かれており、簡単に修正・拡張できるように設計されています。現代のオープンソースライブラリの効果的な利用により、abTEMの性能はCPUおよびGPU上の既存の最適化されたコードと非常に競争力があります。また、原子シミュレーション環境やDFTコードGPAWなどの広範なライブラリエコシステムを活用できます。abTEMはインタラクティブなPythonノートブックで動作するように設計されており、原子構造の定義、分子動力学（MD）および静電ポテンシャルの計算、結果の分析まで、一つの読みやすいドキュメント内でシームレスかつ再現可能なワークフローを作成します。本記事はabTEM開発の進行中の文書を提供します。この最初のバージョンでは、価電子結合が検出可能な六方晶窒化ホウ素の使用事例、位相再構成を含むモリブデン二硫化物の4D-STEMシミュレーション、260万原子シリコン系の収束ビーム電子回折に対するMDと凍結フォノンモデリングの比較、および2万原子の金ナノ粒子に対するPRISMアルゴリズムの高速実装の性能比較を示します。