计算材料科学代码的黄金标准

在过去的几十年里，世界各地的物理学家和材料科学家一直忙于开发模拟材料关键特性的计算机代码，他们现在可以从一系列此类工具中进行选择，并使用它们发表数以万计的科学文章每年。这些代码通常基于密度泛函理论 (DFT)，这是一种建模方法，它使用多种近似值来降低根据量子力学定律计算每个单独电子的行为时令人难以置信的复杂性。使用各种代码获得的结果之间的差异取决于所进行的数值近似，以及这些近似背后的数值参数的选择，通常是为了研究特定类别的材料或计算特定应用的关键属性而定制的 - 例如，潜在电池材料的电导率。考虑到这些代码的复杂性，确实很难确保所有这些代码都没有任何可能的编码错误，或者不会受到过于粗糙的数值近似的影响。但对于社区来说，验证不同代码的结果是否具有可比性、相互一致和可重复性至关重要。

在《自然评论物理学》刚刚发表的一篇新文章中，一大批科学家对固态 DFT 代码进行了迄今为止最全面的验证工作，并为他们的同事提供了评估和改进现有和改进的工具和一套指南。未来的代码。

这项工作建立在 2016 年《科学》杂志上发表的一项研究的基础上，该研究比较了 40 种计算方法，使用每种方法来计算由 71 个晶体组成的测试集的能量，每个晶体对应于周期表中的一个元素，并得出结论：主流代码彼此非常一致。“这项工作令人放心，但它并没有真正探索足够的化学多样性，”位于瑞士维利根的 Paul Scherrer 研究所 PSI 材料软件和数据组组长、新论文的通讯作者 Giovanni Pizzi 说道。“在这项研究中，我们考虑了 96 种元素，对于每种元素，我们模拟了十种可能的晶体结构”。特别是，对于元素周期表的前 96 种元素中的每一种，他们研究了四种不同的一元元素(仅由元素本身的原子组成的晶体)和六种不同的氧化物(也包含氧原子)。结果是包含 960 种材料及其属性的数据集，由两个独立的、最先进的 DFT 代码(称为 FLEUR 和 WIEN2k)计算得出。两者都是“全电子”(AE)代码，这意味着它们明确考虑了所考虑原子中的所有电子。

现在任何人都可以使用该数据集作为基准来测试其他代码的精度，特别是那些基于赝势的代码，其中与全电子(AE)代码不同，不参与化学键的电子被处理为简化的方法使计算更轻松。“实际上，我们已经开始改进论文中的九个这样的代码，将它们的结果与我们数据集中的结果进行比较，测量差异并相应地调整它们的数值参数(例如赝势)”Pizzi 解释道。

该研究还包括针对 DFT 代码用户的一系列建议，以确保计算研究的可重复性，如何使用参考数据集进行未来的验证研究，以及如何将其扩展以包括其他代码系列和其他代码。材料特性。“我们希望我们的数据集能够成为该领域未来几年的参考”，Pizzi 说道，他是撰写这项研究的九名 MARVEL 研究人员之一，其他研究人员包括 Marnik Bercx、Kristjan Eimre、Sebastiaan Huber、Matthias Krack 和 Nicola Marzari 、Aliaksandr Yakutovich、Jusong Yu、Austin Zadoks。

该研究还通过 AiiDA 为未来的验证研究提供了一个环境，AiiDA 是由国家研究能力中心 (NCCR) MARVEL 开发的开放获取计算框架，支持这项工作，Pizzi 是其中的项目负责人， Max 卓越中心。“AiiDA 允许我们以相同的方式为 11 种不同的代码编写相同的指令，例如计算特定结构的请求，”Pizzi 说。然后它可以为您运行计算并为每个选择正确的数字参数”。

Pizzi 表示，除了用更多结构扩展参考数据集之外，他希望将来不仅要考虑到不同代码的准确性，还要考虑它们在时间和计算能力方面的成本，从而帮助科学家找到计算中最具成本效益的参数。

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