PASP铁性材料性质分析与模拟软件正式商用

描述

2006-2023

复旦大学向红军教授/龚新高院士团队十八年苦心孤诣,倾力研发PASP铁性材料性质分析与模拟软件终于正式商用

它擅长处理磁性、铁电性和多铁性体系

它能计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质也能用于分析理解材料性质的微观机制

这是一款独立完整、特色鲜明

具有完全自主知识产权的材料计算软件包

助力材料科学家和研发人员

向高性能材料开发进军

今天我们一起走进这款软件全方位了解PASP的功能与价值

什么是PASP软件     

PASP (Property analysis and simulation package for materials) 是一款独立完整、特色鲜明、自主研发的材料计算软件包,尤其擅长处理磁性、铁电性和多铁性(即同时包括多种铁性)体系,可用于计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质,也可用于分析理解材料性质的微观机制。

一方面铁磁和铁电材料已经在信息存储领域应用广泛,另一方面新型磁性、铁电和多铁性材料可能在下一代信息存储和处理领域扮演重要角色,因此对这些材料的研究至关重要。PASP可用于计算模拟这些材料的物理性质,理解其物理机制,并进一步设计和预言高性能材料,是研究这些材料的有效工具。

PASP软件的发展史       01

2006

PASP研发正式启动

02

2006-2007

编写了寻找电荷序基态的蒙特卡洛程序,程序最初命名为Latticemodel。

03

2007-2008

编写了自旋体系的蒙特卡洛程序,可以处理海森堡相互作用、单离子各向异性,并实现了基于副本交换(PTMC)的并行化。

04

2008-2009

编写了预测团簇基态结构的basin-Hopping程序,并首次提出了预测界面基态结构的全局优化方法。

05

2010

编写了预测晶体基态结构的genetic algorithm程序。

06

2011-2013

提出了自旋序诱导铁电性的统一极化模型,发展了计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”,并在程序里实现了这些模型和方法。

07

2011

编写了处理电子的紧束缚模型程序,可处理非磁性和磁性体系(包括非共线自旋体系)。基于该方法可以理解铁电性和多铁性的起源,以及磁相互作用的机制。

08

2014

发展了寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm,可用于基于已知顺电结构预测铁电基态结构;发展了处理磁弹耦合的方法和程序。

09

2014-2015

在有效自旋哈密顿量程序的基础上,编写了处理铁电体系的有效哈密顿量程序,可以处理简单的原子位移局域模式之间的相互作用。

10

2016-2018

利用群论方法,发展了磁性、铁电和多铁体系的通用有效哈密顿量方法和程序。

11

2019

首次提出了预测磁性体系基态量子序的全局优化方法,并发展了相应的程序;编写了计算自旋波色散的程序。

12

2020

提出了构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法,并发展了相应的程序;在有效哈密顿量方法和程序里引入了合金、分子转动等自由度。

13

2021

PASP软件正式命名Property analysis and simulation package for materials,并发表了PASP程序的介绍文章 【1】,PASP软件进入一个新的发展阶段。

14

2022

发展了基于有效哈密顿量的分子动力学方法,包括同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法。

PASP着手准备商业化模式与鸿之微公司合作,深度开发和推广PASP。

15

2023.6

PASP软件正式发布,虽已起航,任重道远。

PASP发展的理论模型和计算方法     

计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”【2,3,4】

自旋序诱导铁电性的统一极化模型【5,6,7,8】

同时处理晶格、自旋、合金、分子转动等自由度的通用有效哈密顿量模型和方法【1,9,10,11】

构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法【12,13,14】

同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法

预测团簇和界面基态结构的全局优化方法【15,16】

寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm【17,18】

预测磁性体系基态量子序的全局优化方法【19】

用于理解铁电性和多铁性的起源,以及磁相互作用机制的紧束缚模型【8,20,21】

PASP的功能     

PASP软件目前集成了诸多功能,例如对称性分析、有效哈密顿量方法、蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟、分子动力学模拟、自旋序诱导铁电极化的计算、紧束缚模型、全局结构搜索方法、线性自旋波方法等。通过将该程序包与VASP等第一性原理计算软件结合使用,可以方便地模拟研究材料(特别是磁性、铁电、多铁性材料)的多种物理性质(如磁转变温度、铁电极化、电滞回线等),以及从微观相互作用的角度研究多种物性的物理机制。

模拟软件

目前PASP软件最常用的功能是一般性有效哈密顿量方法,其中主要涉及有效哈密顿量的构造(包括四态法和构造哈密顿量的机器学习方法)、蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟等模块。在磁性、铁电、多铁、电荷密度波等类型的材料中,涉及自旋、局域声子模式、晶格应变等自由度;在合金材料中,涉及元素种类的自由度;晶体材料中含有有机分子时,还可能涉及有机分子的取向、位移等自由度;此外还可以考虑电荷量、轨道序等自由度。

除了有效哈密顿量方法外,PASP另一主要功能是全局结构搜索。全局结构搜索模块支持遗传算法等方法,可以处理结构自由度和自旋自由度。将PASP的全局结构搜索方法与第一性原理计算相结合,可以预测复杂系统的结构基态和基态量子序。

PASP(包括之前的Latticemodel版本)已被国内外多个研究组采用,并在铁电、磁性研究等方面取得了重要进展【22,23,24,25,26,27,28,29,30】。

PASP的特色     

PASP的开发理念是在一个软件包里尽可能包括更多更全的功能,能处理尽可能多的材料体系。为此,PASP包括了完整的对称性群论分析(包括点群、空间群、磁群)模块。基于群论分析,不仅可以构建任何体系的哈密顿量(包括电子哈密顿量和原子层面哈密顿量),而且可以提升量子材料全局结构搜索的效率。PASP的主要功能不受体系结构的限制,原理上可以处理任何体系。

PASP软件计算算例     

模拟软件

模拟软件

 

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