計算コードの使い方/STATE のバックアップ(No.54) - 第一原理分子動力学プログラム STATE Senri Wiki

STATE-Senri †

Simulation Tool for Atom TEchnology

STATE-Senri

STATEとは †

STATE (Simulation Tool for Atom TEchnology)は密度汎関数法に基づく、ノルム保存/ウルトラソフト擬ポテンシャル、平面波基底を用いた第一原理計算パッケージです。STATEを用いて以下のような計算が可能です。

電子状態の最適化
- Davidson法
- DIIS (Direct Inversion in Iterative subspace)法
電子状態解析
- 状態密度、部分状態密度、局所状態密度
- バンド構造
- Crystal orbital overlap population
- STMシミュレーション
構造最適化
- Quenched Molecular dynamics法
- Generalized Direct Inversion in Iterative Subspace (GDIIS)法
反応経路探索
- Nudged Elastic Band (NEB) 法
- Climbing Image nudged elastic band (CINEB) 法
分子動力学
- NVE ensemble
- NVT ensemble (velocity-scaling,Nose-Hoover)
自由エネルギーサンプリング
- Blue moon ensemble
- Metadynamics
非局所ポテンシャルの実空間での取り扱い(King-Smith, et al.)
Neugebauer+Schefflerによる電場（双極子）補正
有効遮蔽媒質 (Effective Screening Medium: ESM) 法により高精度なスラブ計算とバイアス印加下でのスラブ計算

k点はMonkhorst-Packまたは通常のガンマ点を含む一様なメッシュ上で生成することが可能で、Brillouine zone積分にはスメアリング法（Fermi-Dirac、Hermite-Gaussian）あるいは（修正）四面体法を用いることができます。

STATEはf90で書かれておりMPIを用いて並列化されています。最新バージョンではOpenMPを用いたハイブリッド並列化も行われています。

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バージョン †

5.6.3/5.6.5

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コンパイル方法 †

コンパイルにはfortran90コンパイラとMPI,lapack,FFTW3(あるいは環境に応じたFFTライブラリ)が必要です。またバージョンによりコンパイルの方法（Makefile）が異なるので注意が必要です。

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実行方法 †

先ず擬ポテンシャルを所定の場所よりコピーあるいはダウンロードします。今CO分子を例とし、ソースディレクトリを
```
/home/hamada/STATE/src/STATE_5.6.1
```
擬ポテンシャルのディレクトリを以下
```
/home/hamada/STATE/gncpp
```
CとOの擬ポテンシャルをそれぞれpot_C_pbe1、pot_O_pbe1とします。ワーキングディレクトリにおいて
```
ln -s /home/hamada/STATE/src/STATE_5.6.1/STATE
```
および
```
ln -s  /home/hamada/STATE/gncpp/pot_C_pbe1 fort.37
ln -s  /home/hamada/STATE/gncpp/pot_O_pbe1 fort.38
```
を実行します。STATEおよび擬ポテンシャルの場所は自分の環境に合わせて適切に指定しましょう。次にCO分子の計算のための入力ファイルをnfinp_1（以下の計算例を参照）、出力ファイルをnfout_1として
```
mpirun -np 2 STATE < nfinp_1 > nfout_1
```
を実行します。ここで"-np 2"の2は使用するプロセッサーの数であり、"mpirun -np 2"のコマンドは環境によって異なります。

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擬ポテンシャル †

擬ポテンシャルファイルはgncppディレクトリに含まれます。擬ポテンシャルの情報はファイルのヘッダーで確認することが可能です。

ポテンシャル名の例: pot_Pt_pbe1あるいはPt_pbe1/#vnew.data

例: pot_Pt_pbe1
```
   78  10   1   1  : natomn, ival, iloc, itpcc    
ggapbe             : name                         
```
- natomn: 原子番号
- ival: 価電子の数
- iloc: 局所ポテンシャルの軌道角運動量 l+1
- itpcc: partial core correctionの有無 (itpcc=1: 有、itpcc=0: 無)

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TODO †

Manual
- 印刷可能版の作成
- 英語版の作成

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参考文献 †

電子状態理論

Richard M. Martin, Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods.
R. M. マーチン（著）、寺倉清之（訳）物質の電子状態（上）（下）
M. C. Payne, M. P. Teter, D. C. Allan, T. A. Arias, and J. D. Joannopoulos, Rev. Mod. Phys. 64, 1045 (1992).

密度汎関数理論:

P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).

Normconserving pseudopotential:

N. Troullier and J. L. Martins, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991).

Ultrasoft pseudopotential:

D. Vanderbilt, Phys. Rev. B41, 7892 (1990).
A. Pasquarello, et al., Phys. Rev. Lett. 69, 1982 (1992).
K. Lassonone, et al., Phys. Rev. B47, 10142 (1993).

Iterative diagonalization:

G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B54, 11169 (1996).
G. Kresse and J. Furthmuller, Comp. Mat. Sci. 6. 15 (1996).

と、ここで引用されている論文を読むと良いでしょう。

Kresse&Furthmuller論文で引用されていますが、Davidson法、DIIS法に関するoriginalの論文が以下です。

E.R. Davidson, J. Comp. Phys. 17. 87 (1975).
D. M. Wood and A. Zunger, J. Phys. A: Math. Gen. 18, 1343 (1985).

非局所ポテンシャルの実空間での実装:

R. D. King-Smith, et al., Phys. Rev. B44, 13063 (1991).

k点サンプリング:

H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Phys. Rev. B13, 5188 (1976).

Nudged elastic band法およびquenched molecular dynamics法:

H. Jonsson, G. Mills, and K. W. Jacobsen, "Nudged elastic band method for finding minimum energy paths of transitions," in Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations, edited by B. J. Berne, G. Ciccotti, and D. F. Coker (World Scientific, Singapore, 1998), p 385.
G. Henkelman, B. P. Uberuaga, and H. Jonsson, J. Chem. Phys. 113, 9901 (2000).

双極子補正:

J. Neugebauer and M. Scheffler, Phys. Rev. B 46, 16067 (1992).
L. Bengtsson, Phys. Rev. B 59, 12301 (1999)

ESM法:

M. Otani, O. Sugino, Phys. Rev. B 73, 115407 (2006)
I. Hamada, M. Otani, O. Sugino, Y. Morikawa, Phys. Rev. B 80, 165411 (2009)

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連絡先 †

不具合等ありましたら下記メールアドレスまでご連絡ください。（下記アドレスの＠は日本語文字なので注意）

state_admin＠cp.prec.eng.osaka-u.ac.jp

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