Module功能大全之光、磁、力学和极化性质

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Module是什么

在PWmat的基础功能上，我们针对用户的使用需求开发了一些顶层模块（Module）。这些Module中的一部分是与已有的优秀工具的接口，一部分是以PWmat的计算结果为基础得到实际需要的物理量，一部分则是为特定的计算需求而设计的计算流程。这些Module涵盖了物质结构、基础性质、针对大体系的计算以及机器学习力场等，功能全面、操作方便。

今天聊聊Module之

光、磁、力学和极化性质

Part.1

光学性质

Absorption Spectrum for non-periodic systems：孤立体系加外场计算吸收谱

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/plot_tddft_absorp_guide.pdf

该模块用于通过rt-TDDFT方法计算光学吸收光谱，仅适用于团簇或分子等非周期系统。

Frequency dependent dielectric function calculations for bulk systems using rt-TDDFT method：周期性体系外加矢势和电流计算吸收谱

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide_bulk_absorption_tddft.pdf

该模块利用rt-TDDFT方法计算体材料的频率相关的介电函数（电子部分贡献），同时输出折射率、反射率、吸收系数、发射率等结果。与OT-RSH泛函结合，可以像BSE+GW方法一样描述长程介电屏蔽，可以给出考虑电子-空穴相互作用的结果。

TDDFT absorption spectrum(Linear response)：直接求解Casida方程组，获得响应函数

http://www.pwmat.com:8080/upload/module/pdf/tddft_lr_absorp.pdf

该代码使用微扰理论（线性响应）求解Casida方程（或其HSE计数器部分）来计算小分子的吸收光谱。这可以与实时TDDFT吸收光谱计算进行比较。

Frequency dependent dielectric function calculations using RPA method：

二阶插值计算高频介电函数，可考虑非局域势的影响

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide_rpa_absorb.pdf

RPA方法计算频率相关的介电函数（电子部分贡献），同时给出折射率、反射率、吸收系数、发射率等结果。

Pw_absorption：THz波，电子/光子学过渡区，动态电荷代替Born有效电荷

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide.pdf

该模块用于计算dynamic charge（大部分情况下相当于born charge）和声子吸收（忽略了屏蔽效应）。

Infrared spectrum/born charge(finite electric field method):红外光谱,可求得Born有效电荷

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide_infrared_20211202.pdf

区别于module 43，利用finite electric field方法求得born charge，并得到红外光谱

Raman：拉曼光谱（非共振），可求得介电张量变化率

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide_infrared_20211202.pdf

拉曼光谱是一种强大的非侵入性材料表征技术，它独特地提取了有关振动和化学性质、不均匀性、应变、结晶度、电子-声子耦合和局部环境中的非谐性的信息。该模块可以得到高斯增宽的拉曼光谱。

Second harmonic generation：计算二次谐波，非线性光学性质，实验用于判断结构的中心反演对称性

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/RPA_shg_20220418.pdf

该模块描述了一种使用RPA方法计算体相材料的二阶极化率，其中使用了二阶插值方法。

use charge density to calculate absorption spectrum for large-scale insulating systems：无需计算本征值就可得到DOS和吸收谱，计算大体系的光吸收，效率非常高，对更大的体系可先用CPM获得电荷密度

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/Use_charge_density_to_

calculate_absorption_spectrum_of_

large_quantum.pdf

该模块使用随机波函数计算光学吸收光谱的数千个切比雪夫偶极矩，并将这些偶极矩转换回能量空间。结果与大型绝缘系统的直接计算结果相对比。

Excitionic state：在DFT的基础上直接求解e-h久期方程，可以计算光吸收和电极化矩阵，可尝试计算三激子（trion），对更大的体系可以结合CPM 针对量子点的光学性质

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/exciton.pdf

该模块用于通过求解两粒子哈密顿的久期方程来计算量子点中的激子态，还可以获得吸收光谱和偶极矩阵。

Part.2

磁学性质

Heisenberg exchange interaction constant：使用线性响应理论求解磁交换系数J，可用于分析磁耦合性质，或构造有效哈密顿量进行MC等

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/Heisenberg_exchange_20220215.pdf

该模块用于利用线性响应理论计算周期系统中两个特定位置之间的海森堡模型中的交换相互作用常数。

magnetic exchange parameters：使用“四态法”求解磁交换系数J，可用于分析磁耦合性质，或构造有效哈密顿量进行MC等

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/four_states_method.pdf

该模块介绍了计算磁交换参数的四态法

Gilbert damping constant：求解LLG方程的阻尼项系数α

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/gilbert_damping_constant.pdf

该模块用于计算体材料吉尔伯特阻尼常数，该常数描述了Landau-Lifshitz-gilbert（LLG）方程中磁矩的阻尼项。

Landau-Lifshitz-Gilbert方程是微磁动力学模拟的核心

求得阻尼系数即可得到LLG方程；用户可使用上述结果结合有限元软件，自己进行微磁学仿真。

Part.3

极化性质

Berry Phase：计算Berry phase得到离子钳位极化（电子部分的极化，已集成到Q-Flow）

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/guide_berryphase.pdf

用现代极化理论计算离子钳位极化的一种方法（计算离子钳位极化）。

Born effective charge：在Berry Phase的基础上，根据极化的线性响应，得到Born有效电荷（张量）

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/borncharge_guide.pdf

玻恩有效电荷是在零外场条件下，由原子在方向i上的位移引起的在方向j上的宏观极化变化之间的比例系数，它量化了光学声子和电场之间的耦合。在该模块中，我们使用Berry相位方法计算玻恩有效电荷。

Piezoelectric tensor：在Berry Phase和Born effective charge的基础上，施加应变，求得压电张量

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/Piezo_guide.pdf

压电材料在施加外部宏观应变时表现出诱导的电极化。可以将该模块与模块Berry Phase和Born effective charge一起使用来计算。

Ionic dieclectric contribution：通过有限小电场得到Born有效电荷，进而得到离子介电函数

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/

guide_ionic_diel.pdf

该模块用于计算介电常数离子部分的贡献，可以加上高频介电常数后得到低频介电常数。

1.以位移型铁电体为例，计算不同位移的极化和能量可以帮助拟合GL方程，辅助后期的相场等模拟

2.介电常数和压电张量是现代陶瓷材料的重要性能指标

3.计算的虚部可以用来覆盖65的红外光谱

Part.4

力学性质

ELPWmat：基于PWmat开发的开源程序

http://modulefiles.pwmat.com/pwmat-resource/module-download7/pdf/ELPWmat.pdf

该模块用于高通量计算弹性常数。ELPWmat是一个高效的开源python程序，使用PWmat通过高通量第一性原理计算来计算三维材料和二维材料的弹性常数、柔顺常数、杨氏模量、剪切模量和体积模量以及泊松比。对于3D材料，ELPWmat可以根据Voigt-Reuss-Hill的近似值计算弹性常数、柔度常数、多晶杨氏模量、剪切模量和体积模量以及泊松比。对于2D材料，ELPWmat可以计算弹性常数、柔顺常数、平面内杨氏模量、剪切模量和面内泊松比

北京龙讯旷腾科技有限公司是成立于2015年的国家高新技术企业，是国内材料计算模拟工具软件研发创新的领导者，致力于开发满足“工业4.0”所需的原子精度材料研发Q-CAD（quantum-computer aided design）软件。公司自主开发的量子材料计算软件PWmat（平面波赝势方法并基于GPU加速）可以进行电子结构计算和从头算分子动力学模拟，适用于晶体、缺陷体系、半导体体系、金属体系、纳米体系、量子点、团簇和分子体系等。

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