CASTEP бағдарламасы: Қатты денелерді есептеуге арналған құрал
CASTEP
CASTEP бағдарламасы: кристаллдар, беттер, молекулалардың электрондық қасиеттерін есептеуге арналған DFT негізді құрал. Геометрияны оңтайландыру, молекулалық динамика мүмкіндіктері бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
CASTEP – бұл ортақ дереккөзді академиялық және коммерциялық бағдарламалық пакет, ол кристалдық қатты денелердің, беттердің, молекулалардың, сұйықтықтардың және аморфты материалдардың электрондық қасиеттерін бірінші принциптерден есептеу үшін жазық толқын негізін қолданатын тығыздық функционалдық теориясын пайдаланады. CASTEP геометрияны оңтайландыруға, симметрия мен геометриялық шектеулермен шекті температуралық молекулалық динамикаға, сондай-ақ электрондық конфигурацияның кең ауқымды туынды қасиеттерін есептеуге мүмкіндік береді. CASTEP бастапқыда сериялық, Fortran 77 негізіндегі бағдарлама болған, бірақ Йорк, Дарем, Сент-Эндрюс, Кембридж университеттері мен Ратерфорд зертханаларының ғалымдары үшін параллельді компьютерлерде пайдалану үшін 1999 жылдан 2001 жылға дейін Fortran 95 және MPI қолданылып толыққандай қайта құрылды және қайта жазылды.
CASTEP is a shared source academic and commercial software package which uses density functional theory with a plane wave basis set to calculate the electronic properties of crystalline solids, surfaces, molecules, liquids and amorphous materials from first principles. CASTEP permits geometry optimisation and finite temperature molecular dynamics with implicit symmetry and geometry constraints, as well as calculation of a wide variety of derived properties of the electronic configuration. Although CASTEP was originally a serial, Fortran 77 based program, it was completely redesigned and rewritten from 1999 to 2001 using Fortran 95 and MPI for use on parallel computers by researchers at the Universities of York, Durham, St. Andrews, Cambridge and Rutherford Labs.
Тарих
CASTEP 1980-шы жылдардың соңы мен 1990-шы жылдардың басында Кембридждегі Кавендиш зертханасының TCM тобында құрылды. Ол кезде бұл Fortran77 тілінде жазылған академиялық код болды, ал атауы бастапқыда CAmbridge Serial Total Energy Package-ден туындаған. 1990-шы жылдардың ортасында Molecular Simulations International компаниясына лицензия беру арқылы коммерцияланды (кейіннен компания Accelrys, одан кейін Biovia сатып алды), бұл келісім бойынша Кембридж университеті авторлық гонорардың бөлігін алды, ал дамудың көп бөлігі бастапқы академиялық авторлармен сақталды. Код 1999–2001 жылдар аралығында заманауи Fortran мүмкіндіктерін пайдалану, кодтың барлық бөлігінде параллелизмді іске қосу және бағдарламалық жасақтаманың тұрақтылығын арттыру мақсатында қайта жобаланып, толығымен жаңадан жазылды. Жаңа код базасы CASTEP атауын қабылдады, бірақ код енді параллель жұмыс істейтіндіктен және жалпы энергиядан басқа көптеген шамаларды есептей алатындықтан, бұрынғы мағынасы жойылды. Осы кезде жылдық сату көлемі 1 миллион фунт стерлингтен асты. Коммерциялық статусына қарамастан, CASTEP және оның бастапқы коды Ұлыбританиялық ғалымдар үшін тегін қалды. 2019 жылы тегін академиялық лицензия әлемдік академиялық қолдануға (тек Ұлыбританиялық академиялық ортаға ғана емес) кеңейтілді. Коммерциялық пайдаланушылар CASTEP-ті Biovia-ның Materials Studio жинағының бір бөлігі ретінде сатып ала алады.
CASTEP was created in the late 1980s and early 1990s in the TCM Group of the Cavendish Laboratory in Cambridge. It was then an academic code written in Fortran77, and the name was originally derived from CAmbridge Serial Total Energy Package. In the mid 1990s it was commercialised by licensing it to Molecular Simulations International (the company was later purchased by Accelrys, in turn purchased by Biovia) in an arrangement through which the University of Cambridge received a share of the royalties, and much of the development remained with the original academic authors. The code was then redesigned and completely rewritten from 1999–2001 to make use of the features of modern Fortran, enable parallelism throughout the code and improve its software sustainability. The name CASTEP was adopted by the new codebase, but without the implied former meaning since the code was now parallel, and capable of computing many quantities besides the total energy. By this point annual sales exceeded £1m. Despite its commercialisation, CASTEP and its source code remained free to UK academics. In 2019 the free academic licence was extended to world wide academic use (not just UK academia). Commercial users can purchase CASTEP as part of Biovia's Materials Studio package.
Теория және шамалау
Көп денелі толқындық функциядан бастап, ядролық және электрондық координаттарға қатысты адиабатикалық жуықтау жасалады (Борн-Оппенгеймер жуықтауы). Кодта сондай-ақ Блох теоремасы қолданылады, яғни периодтық жүйенің толқындық функциясы жасушаның периодтық факторы мен фазалық факторын қамтиды. Фазалық фактор жазық толқынмен өрнектеледі. Блох теоремасын қолдану арқасында толқындық функцияны жасушалық периодтық фактор және фазалық фактор үшін жазық толқындар түрінде жазу ыңғайлы. Осыдан негізгі функциялар ортогоналды болады және нақты кеңістіктен кері кеңістікке және керісінше Фурье түрлендіруін орындау жеңілдейді. CASTEP кодының барлық бөлігінде жылдам Фурье түрлендірулері, сондай-ақ Кулондық энергиялар үшін Эвальд қосындысы әдісі қолданылады. Жазық толқындармен және итеративті диагонализациялау әдістерімен (конъюгатты градиент немесе блокадаланған Дэвидсон алгоритмі арқылы) қатар, псевдопотенциалдар CASTEP коды үшін есептеулердің есептеулік қиындығын азайту үшін маңызды. Псевдопотенциалдар атом ядросын және ішкі электрондарды тиімді сандық потенциалмен ауыстырады.
Starting from the many body wave function, an adiabatic approximation is made with respect to the nuclear and electronic coordinates (the Born–Oppenheimer approximation). The code also makes use of Bloch's Theorem which means a wavefunction of a periodic system has a cell periodic factor and a phase factor. The phase factor is represented by a plane wave. From the usage of Bloch's Theorem, it is ideal to write the wavefunction in plane waves for the cell periodic factor and the phase factor. From this the basis functions are orthogonal and it is easy to perform a Fourier transform from real to reciprocal space and vice versa. Fast Fourier transforms are used throughout the CASTEP code, as is the Ewald summation method for Coulombic energies. Along with plane waves and iterative diagonalization methods (via conjugate gradient or blocked Davidson algorithms), pseudopotentials are essential to the CASTEP code for reducing the computational expense of the calculation. Pseudopotentials replace the atomic nucleus and the core electrons by an effective numeric potential.
Геометрияны оңтайландыру
CASTEP жүйесінің атомдық геометриясын бірнеше әртүрлі жолмен оңтайландыруға мүмкіндік береді. Стандартты әдіс - BFGS, онда Гессиан матрицасына жуықтама кезекті электрондық минимумдау қадамдарында құрастырылады және әр қадамда іздеу бағытын анықтау үшін пайдаланылады. Демптелген молекулалық динамика да қолданылуы мүмкін және көбінесе тез жинақталады, кейде толқындық функцияны экстраполяциялау арқасында BFGS-ден де жылдам. Бірақ, демптелген МД сызықтық емес иондық шектеулерді қолдану мүмкіндігі болғандықтан, көбінесе BFGS-ке қарағанда артықшылыққа ие. Тағы бір балама – FIRE схемасы, ол демптелген МД-мен ұқсас тәсілді қолданады, бірақ сәл өзгеше әдістемеге негізделген.
CASTEP is capable of optimising the atomic geometry of a system in several different ways. The default is BFGS, whereby an approximation to the Hessian matrix is built up over successive electronic minimisation steps and used to find a search direction at each. Damped molecular dynamics is also possible and often quick to converge, sometimes even faster than BFGS, due to wavefunction extrapolation. Damped MD is most often chosen over BFGS, however, due to the possibility for non linear ion constraints. A further alternative is the FIRE scheme, which takes approximately the same approach as damped MD, but based on slightly different methodology.