量子力学材料计算的单元有限元方法
摘要：大规模量子力学模拟的当前最先进方法是平面波（PW）赝势方法，如VASP、ABINIT等代码中所实现的方法。然而，由于PW方法使用全局傅里叶基，且在空间的所有点上具有严格的均匀分辨率，因此在涉及具有局域态的原子（例如第一周期和过渡金属原子）的计算中，存在显著的低效率问题，并且需要大量的非局域通信，从而限制了并行效率。有限差分和有限元等实空间方法在部分解决了分辨率和并行通信问题，但相对于PW仍有一个关键劣势，即为了达到所需的精度需要过多的自由度。我们提出了一种基于实空间的统一分区有限元（PUFE）方法来求解密度泛函理论的Kohn-Sham方程。在PUFE方法中，我们利用有限元分析中的分区统一丰富技术将已知的原子物理学知识纳入解决过程中。所述方法完全通用，适用于金属和绝缘体，尤其适用于具有深层局域势的极端压力和温度计算。我们对涉及轻原子的LiH和涉及具有大量原子轨道丰富的重原子的CeAl进行了全自洽Kohn-Sham计算。我们发现，与PW方法相比，新的PUFE方法可以使用数量级以上或更多的自由度获得所需的精度，通常少得多。我们计算了LiH的状态方程，并展示了计算得到的晶格常数和体模量与参考PW结果非常吻合，同时只需使用数量级以上的自由度。
作者：John E. Pask and N. Sukumar
论文ID：1611.00731
分类：Computational Physics
分类简称：physics.comp-ph
提交时间：2021-11-09