PASP鐵性材料性質(zhì)分析與模擬軟件正式商用

2006-2023

復(fù)旦大學(xué)向紅軍教授/龔新高院士團(tuán)隊(duì)十八年苦心孤詣，傾力研發(fā)PASP鐵性材料性質(zhì)分析與模擬軟件終于正式商用

它擅長處理磁性、鐵電性和多鐵性體系

它能計(jì)算模擬材料的基態(tài)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)也能用于分析理解材料性質(zhì)的微觀機(jī)制

這是一款獨(dú)立完整、特色鮮明

具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料計(jì)算軟件包

助力材料科學(xué)家和研發(fā)人員

向高性能材料開發(fā)進(jìn)軍

今天我們一起走進(jìn)這款軟件全方位了解PASP的功能與價(jià)值

什么是PASP軟件

PASP (Property analysis and simulation package for materials) 是一款獨(dú)立完整、特色鮮明、自主研發(fā)的材料計(jì)算軟件包，尤其擅長處理磁性、鐵電性和多鐵性（即同時(shí)包括多種鐵性）體系，可用于計(jì)算模擬材料的基態(tài)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，也可用于分析理解材料性質(zhì)的微觀機(jī)制。

一方面鐵磁和鐵電材料已經(jīng)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，另一方面新型磁性、鐵電和多鐵性材料可能在下一代信息存儲(chǔ)和處理領(lǐng)域扮演重要角色，因此對這些材料的研究至關(guān)重要。PASP可用于計(jì)算模擬這些材料的物理性質(zhì)，理解其物理機(jī)制，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)和預(yù)言高性能材料，是研究這些材料的有效工具。

PASP軟件的發(fā)展史 01

2006

PASP研發(fā)正式啟動(dòng)

02

2006-2007

編寫了尋找電荷序基態(tài)的蒙特卡洛程序，程序最初命名為Latticemodel。

03

2007-2008

編寫了自旋體系的蒙特卡洛程序，可以處理海森堡相互作用、單離子各向異性，并實(shí)現(xiàn)了基于副本交換（PTMC）的并行化。

04

2008-2009

編寫了預(yù)測團(tuán)簇基態(tài)結(jié)構(gòu)的basin-Hopping程序，并首次提出了預(yù)測界面基態(tài)結(jié)構(gòu)的全局優(yōu)化方法。

05

2010

編寫了預(yù)測晶體基態(tài)結(jié)構(gòu)的genetic algorithm程序。

06

2011-2013

提出了自旋序誘導(dǎo)鐵電性的統(tǒng)一極化模型，發(fā)展了計(jì)算二階磁相互作用和磁電耦合強(qiáng)度的“四態(tài)法”，并在程序里實(shí)現(xiàn)了這些模型和方法。

07

2011

編寫了處理電子的緊束縛模型程序，可處理非磁性和磁性體系（包括非共線自旋體系）?；谠摲椒梢岳斫忤F電性和多鐵性的起源，以及磁相互作用的機(jī)制。

08

2014

發(fā)展了尋找能量最低結(jié)構(gòu)微擾的genetic algorithm，可用于基于已知順電結(jié)構(gòu)預(yù)測鐵電基態(tài)結(jié)構(gòu)；發(fā)展了處理磁彈耦合的方法和程序。

09

2014-2015

在有效自旋哈密頓量程序的基礎(chǔ)上，編寫了處理鐵電體系的有效哈密頓量程序，可以處理簡單的原子位移局域模式之間的相互作用。

10

2016-2018

利用群論方法，發(fā)展了磁性、鐵電和多鐵體系的通用有效哈密頓量方法和程序。

11

2019

首次提出了預(yù)測磁性體系基態(tài)量子序的全局優(yōu)化方法，并發(fā)展了相應(yīng)的程序；編寫了計(jì)算自旋波色散的程序。

12

2020

提出了構(gòu)造復(fù)雜有效哈密頓量的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，并發(fā)展了相應(yīng)的程序；在有效哈密頓量方法和程序里引入了合金、分子轉(zhuǎn)動(dòng)等自由度。

13

2021

PASP軟件正式命名Property analysis and simulation package for materials，并發(fā)表了PASP程序的介紹文章 【1】，PASP軟件進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

14

2022

發(fā)展了基于有效哈密頓量的分子動(dòng)力學(xué)方法，包括同時(shí)處理自旋和結(jié)構(gòu)自由度的自旋-晶格動(dòng)力學(xué)方法。

PASP著手準(zhǔn)備商業(yè)化模式與鴻之微公司合作，深度開發(fā)和推廣PASP。

15

2023.6

PASP軟件正式發(fā)布，雖已起航，任重道遠(yuǎn)。

PASP發(fā)展的理論模型和計(jì)算方法

計(jì)算二階磁相互作用和磁電耦合強(qiáng)度的“四態(tài)法”【2，3，4】

自旋序誘導(dǎo)鐵電性的統(tǒng)一極化模型【5，6，7，8】

同時(shí)處理晶格、自旋、合金、分子轉(zhuǎn)動(dòng)等自由度的通用有效哈密頓量模型和方法【1，9，10，11】

構(gòu)造復(fù)雜有效哈密頓量的機(jī)器學(xué)習(xí)方法【12，13，14】

同時(shí)處理自旋和結(jié)構(gòu)自由度的自旋-晶格動(dòng)力學(xué)方法

預(yù)測團(tuán)簇和界面基態(tài)結(jié)構(gòu)的全局優(yōu)化方法【15，16】

尋找能量最低結(jié)構(gòu)微擾的genetic algorithm【17，18】

預(yù)測磁性體系基態(tài)量子序的全局優(yōu)化方法【19】

用于理解鐵電性和多鐵性的起源，以及磁相互作用機(jī)制的緊束縛模型【8，20，21】

PASP的功能

PASP軟件目前集成了諸多功能，例如對稱性分析、有效哈密頓量方法、蒙特卡洛（Monte Carlo）模擬、分子動(dòng)力學(xué)模擬、自旋序誘導(dǎo)鐵電極化的計(jì)算、緊束縛模型、全局結(jié)構(gòu)搜索方法、線性自旋波方法等。通過將該程序包與VASP等第一性原理計(jì)算軟件結(jié)合使用，可以方便地模擬研究材料（特別是磁性、鐵電、多鐵性材料）的多種物理性質(zhì)（如磁轉(zhuǎn)變溫度、鐵電極化、電滯回線等），以及從微觀相互作用的角度研究多種物性的物理機(jī)制。

目前PASP軟件最常用的功能是一般性有效哈密頓量方法，其中主要涉及有效哈密頓量的構(gòu)造（包括四態(tài)法和構(gòu)造哈密頓量的機(jī)器學(xué)習(xí)方法）、蒙特卡洛模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬等模塊。在磁性、鐵電、多鐵、電荷密度波等類型的材料中，涉及自旋、局域聲子模式、晶格應(yīng)變等自由度；在合金材料中，涉及元素種類的自由度；晶體材料中含有有機(jī)分子時(shí)，還可能涉及有機(jī)分子的取向、位移等自由度；此外還可以考慮電荷量、軌道序等自由度。

除了有效哈密頓量方法外，PASP另一主要功能是全局結(jié)構(gòu)搜索。全局結(jié)構(gòu)搜索模塊支持遺傳算法等方法，可以處理結(jié)構(gòu)自由度和自旋自由度。將PASP的全局結(jié)構(gòu)搜索方法與第一性原理計(jì)算相結(jié)合，可以預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基態(tài)和基態(tài)量子序。

PASP（包括之前的Latticemodel版本）已被國內(nèi)外多個(gè)研究組采用，并在鐵電、磁性研究等方面取得了重要進(jìn)展【22，23，24，25，26，27，28，29，30】。

PASP的特色

PASP的開發(fā)理念是在一個(gè)軟件包里盡可能包括更多更全的功能，能處理盡可能多的材料體系。為此，PASP包括了完整的對稱性群論分析（包括點(diǎn)群、空間群、磁群）模塊?；谌赫摲治觯粌H可以構(gòu)建任何體系的哈密頓量（包括電子哈密頓量和原子層面哈密頓量），而且可以提升量子材料全局結(jié)構(gòu)搜索的效率。PASP的主要功能不受體系結(jié)構(gòu)的限制，原理上可以處理任何體系。

PASP軟件計(jì)算算例