Kwant — свободная библиотека на Python для численного моделирования квантового транспорта в моделях с плотной упаковкой ядер решётки (tight‑binding). Она разработана для построения, расчёта и анализа квантово-механических моделей с дискретной пространственной структурой, включая одномерные, двумерные и трёхмерные системы, а также структуры с контактом к внешним резервоарам. Библиотека предоставляет инструменты для задания гамильтониана в разреженном представлении, вычисления собственных состояний открытых систем, расчёта передаточных характеристик и локальных величин, таких как плотность состояний и волновые функции.
Проект ориентирован на исследователей и студентов в области мезоскопической физики, наноструктур и спинтроники, позволяя моделировать явления квантового транспорта, включая туннелирование, резонансы, эффекты связности краёв и влияние магнитных полей. Kwant поддерживает гибкое задание геометрии системы, симметрий и рассеяния, интегрируется с научной экосистемой Python для линейной алгебры и визуализации и обеспечивает масштабируемость за счёт использования разреженных матриц и внешних решателей линейных систем.
- Моделирование tight‑binding: удобное задание узлов, связей и матричных элементов гамильтониана для атомарных и мезоскопических структур.
- Открытые системы и резервы: поддержка расчёта матриц рассеяния, коэффициентов пропускания и контактных эффектов при наличии полубесконечных контактов.
- Вычисление проводимости: реализация формул Ландауэра–Бюттикера для расчёта одно- и многопортовой проводимости в зависимости от энергии и параметров системы.
- Плотность состояний и локальные характеристики: вычисление локальной плотности состояний, плотности тока и пространственного распределения волновых функций.
- Работа с разреженными матрицами: представление гамильтониана в разреженном формате и использование эффективных численных решателей для больших систем.
- Поддержка магнитных полей и фаз Пеирлса: включение магнитных эффектов через фазовые множители в элементах связи.
- Гибкая геометрия и симметрии: создание структур произвольной формы, определяемых аналитически или алгоритмически, с возможностью задания пространственных симметрий.
- Интеграция со стеком Python: совместимость с NumPy, SciPy и другими научными библиотеками для предобработки данных и последующего анализа.
- Инструменты для визуализации: средства для отладки и визуализации сеток, компонент гамильтониана и распределений состояний (через внешние библиотеки).
- Расширяемость и скриптование: модульная архиcтектура, позволяющая расширять функциональность и автоматизировать серии расчётов.