QuantumATK新增全功能平面波DFT计算引擎

从 O-2018.06 版开始，QuantumATK 材料与器件模拟平台新增了 DFT-PlaneWave 全功能平面波密度泛函理论计算引擎。代码与平台的图形用户界面 NanoLab 完美集成，可能是目前最灵活和友好的平面波程序。DFT-PlaneWave 实现了赝势和平面波基组相结合的第一性原理密度泛函理论电子结构计算方法。DFT-PlaneWave 使用内置的模守恒赝势，涵盖了元素周期表中绝大部分的元素。ATK-DFT 实现了众多版本的局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）的交换关联函数。meta-GGA、DFT-1/2、HSE06杂化泛函等则可以准确、快速地计算半导体、绝缘体材料的带隙。

现代的平面波 DFT 代码，完全自主开发的程序

基于平面波基组的DFT方法

模守恒赝势（ SG15 和 PseudoDojo 势）

超过300种交换关联泛函（完全列表参见这这里），包括

LDA：HL，PW，PZ，RPA，WIGNER，XA 等

GGA：BLYP，BP86，BPW91，PBE，PBES，PW91，RPBE，XLYP 等

Meta-GGA（TB09），DFT-1/2，用来计算半导体精确能隙

非共线、限制性和非限制性的自旋极化计算

自旋轨道耦合计算

HSE06 杂化泛函

使用新颖的 Adaptively Compressed Exchange（ACE）算符方法，比传统方计算性能更佳（参考：https://arxiv.org/abs/1601.07159 & https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.6b00092）

本征值求解算法

默认使用 Generalized Davidson method – 稳定强壮的方法

还包含 Projected Preconditioned Conjugated Gradient（PPCG）算法，用于计算厄米矩阵的很多极端的本征对（https://arxiv.org/abs/1407.7506 & https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.02.030），大体系并行时提供更好的效果（多进程处理一个k点）

多级别并行优化

NEB 路径中间结构等多计算并行

k 点并行

平面波态并行（多进程处理一个 k 点）

能带和态密度计算

自动确定每 k 点的最佳并行进程数

用于多种模型计算

分子（Molecule）

块体材料（Bulk）

计算各种材料性质

能带、有效质量、DOS、能量、LocalBandStructure，等

力、张力优化，从头算分子动力学

NEB过渡态与反应路径搜索

声子与热性质

与其他平面波代码相比的优势

用户友好

与 NanoLab 图形用户界面和 Python 接口完全集成，方便设置复杂计算和编程

自洽、结构优化、能带、动力学矩阵等计算都可以在一个计算流程中完成（单个脚本）

不需要在并行读写数据时使用相同的进程数

使用 ACE 的快速 HSE 方法

目前 VASP 里面没有

HSE 能带计算（QE 里需要在自洽里包含全部 k 点）

默认从波函数重启计算，效率高（可以关闭以节约内存）

使用其他方法重启、初始化计算可以提高性能

使用 LCAO DFT 计算作为初始电子密度（大体系、非周期体系有用）

使用不同的 cutoff 重启计算，测试收敛性时有用

非共线计算可以从共线或非共线计算得到的电子密度出发，旋转成非共线形式。磁各项异性计算有用

非自洽计算：密度-有效势-哈密顿量-本征值/波函数

第一个实现了PPCG算法的代码

支持 Poisson solver 的非周期边界条件，用于slab，金属区域，电场等等

赝势默认 cutoff 值，Delta test结果非常好

可以用于 Synopsys 的 Sentaurus Materials Workbench 的计算

教程

https://docs.quantumwise.com/tutorials/pw_intro/pw_intro.html