FHIの目的

FHIの目的

開発者	FHI-aims開発者グループ
安定版リリース	231212 / 2023年12月12日; 11か月前 ( 2023-12-12 )
書かれた	Fortran、MPI
オペレーティング·システム	リナックス
タイプ	密度汎関数理論（シミュレーション）
ライセンス	学術/商業
Webサイト	このサイトについて

FHI-aims (Fritz Haber Institute ab initio materials simulations) は、Fortranで書かれた計算分子および材料科学用のソフトウェア パッケージです。密度汎関数理論と多体摂動論を使用して、原子、分子、ナノ構造、固体、表面の化学的および物理的特性をシミュレートします。もともとベルリンのFritz Haber Instituteで開発されたFHI-aims ソース コードは、現在、世界中の共同研究機関のコミュニティによって開発が進められています。^[1]

FHI-aims ソフトウェア パッケージは、電子構造計算に数値原子中心基底関数を使用する全電子フルポテンシャル電子構造コードです。局所基底関数セットにより、擬ポテンシャルなどのコア状態の近似に頼ることなく、周期的および非周期的システム内のすべての電子を同じ基準で正確に処理できます。重要な点は、基底関数セットにより、利用可能な最高の全電子参照法と同等の高い数値精度を実現しながら、数千個の原子までのシステム サイズに拡張可能であることです。バルク固体、表面、その他の低次元システムや分子でこれを実現するには、基底関数の選択が重要です。シミュレーションのワークロードは、MPI通信プロトコルを使用して並列計算に効率的に分散できます。このコードは、ラップトップから 1 万個の CPU を搭載した分散並列スーパーコンピューターに至るまでのプラットフォームで日常的に使用されており、コードの拡張性は 10 万個の CPU までテストされています。^[2]

FHI-aims の主な生成方法は、密度汎関数理論のほか、多体法や高レベル量子化学アプローチである。^[3]交換相関処理には、局所 ( LDA )、半局所 (例: PBE、PBEsol)、メタ GGA、ハイブリッド(例: HSE06、B3LYP) 関数が実装されている。結果として得られる軌道は、Møller-Plesset 摂動論やGW 近似などの多体摂動論の枠組み内で使用できる。さらに、分子や固体の熱力学的特性は、Born-Oppenheimer 分子動力学法や経路積分 分子動力学法によって取得できる。最初のステップは、Kohn-Sham軌道パ​​ッケージを基底関数のセットに拡張することです。 FHI-aims は、精度を損なうことなく計算効率の高い全電子フルポテンシャルコードであるため、前述の精度を達成するには基底関数 の選択が極めて重要です。したがって、FHI-aims は、次の形式の 数値的に表された原子中心軌道(NAO) に基づいています。 名前が示すように、放射状の形状は数値的に表されており、したがって完全に柔軟です。これにより、meV レベルの全エネルギー収束までの生成計算で高い転送可能な精度を維持しながら、可能な限りコンパクトな最適化された要素依存基底セットを作成できます。実数値 を取得するには、ここで は、放射関数インデックス の暗黙の関数を持つ複素球面調和関数の実部 ( ) と虚部 ( ) を表します。^[4]${\displaystyle \psi _{i}(r)}$${\displaystyle \{\phi _{j}(r)\}}$ $${\displaystyle \psi_{i}(r)=\sum_{j}C_{ij}\phi_{j}(r).}$$$${\displaystyle \phi _{j}(r)={\frac {\mu _{j}(r)}{r}}Y_{lm}(\Omega ).}$$${\displaystyle \mu_{j}(r)}$${\displaystyle \phi _{j}(r)}$${\displaystyle Y_{lm}(\Omega )}$${\displaystyle m=0,\ldots,l}$${\displaystyle m=-l,\ldots ,-1}$${\displaystyle l}$${\displaystyle j}$

実際の FHI-aims コードの最初のコード行は、2004 年後半に、Fritz Haber Institute の擬ポテンシャル プログラム パッケージ fhi98PP で使用されている原子ソルバーを基盤として、基底関数として使用するラジアル関数を取得して作成されました。最初の開発では、DMol3コード[ ^7]のコンテキストでBernard Delley ^{[5] [6]}と同僚がいくつかの出版物で説明した優れた数値技術セット、および長年にわたり電子構造理論コミュニティで発表された多くのより広範な方法論的開発から大きな恩恵を受けました。FHI-aims の初期の取り組みは、密度汎関数理論用の完全な数値原子中心基底セット ライブラリの開発に重点が置かれ、全エネルギーの精度が「軽い」ものから非常に正確な (数 meV/原子) ものまで、周期表全体のノーベリウム (Z=102) までの元素で利用可能でした。^[8]

2006 年までに、並列機能、周期境界条件のサポート、全エネルギー勾配 (力)、正確な交換および多体摂動理論に関する作業が開始されました。2009 年 5 月 18 日に、コードの最初の正式なポイント リリースである「051809」が利用可能になり、コードのユーザーと開発者の基盤を拡大するための基礎が築かれました。

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