[装载]ABINIT指南：第一课
2011-05-25 16:10阅读：
ABINIT指南：第一课
不收敛的H2分子研究
第一课目录：
·
1.1.计算总能量以及原子化能
· 1.2.计算核间距
· 1.3.计算核间距
· 1.4.计算电荷密度
· 1.5.计算原子化能
· 问题解答
1.1. 计算总能量以及原子化能
注意当前的指南需要四个窗口：一个用来观看html文本指南（当前窗口），第二个用来运行代码，第三个用来观看abinis_help文件，第四个用来察看html输入变量。
1.1.a
除当前窗口之外，打开第二个窗口，进入Tutorial目录(例如~ABINIT/Tutorial)。
? cd ~ABINIT/Tutorial
在这个目录中，你会发现必要的输入文件来运行这个指南中的例子。花上几秒钟读一读~ABINIT/Tutorial中出现的文件和目录名。
1.1.b 还需要工作目录。所以你应该在这个目录里建立一个子目录，名字可以是'Work'
(也就是~ABINIT/Tutorial/Work)。第二个窗口进入'Work'目录：
? mkdir Work
? cd Work
你将在这个目录中进行指南中的大多数任务。把t1x.files文件复制到'Work'中：
? cp ../t1x.files .
1.1.c
编辑t1x.files。它并不长（仅有六行）。它提供了创建其它文件名的代码所需信息。在abinis_help文件的第一节，你会发现关于这个文件更多的内容。
1.1.d 修改t1x.files文件的第一行和第二行，这样它们就变成：
t11.in
t11.out
后面，你还要修改这些行，以处理更多的情况。关闭t1x.files文件。接下来，把~ABINIT/Tutorial/t11.in文件复制到'Work'目录中：
? cp ../t11.in .
接下来观看这个文件，以了解其内容。现在，你可以运行代码了。它的位置是：
../../abinis
所以，在Work目录中，输入：
? ../../abinis < t1x.files
>& log
等上几秒钟……完成！你可以察看Work目录的内容：
? ls
（Windows/DOS下用dir命令）
建立了不同的输出文件，包括'log'文件和输出文件't11.out'。确认所有都正确之后，你可以比较一下t11.out和参考文件：
? diff t11.out ../Refs/t11.out
| more
会有一些无关紧要的差异，如输入输出文件名或时间的不同，像下面这样：
5c5
< Starting date : Tue
4 Jul 2000.
---
> Starting date : Thu
22 Jun 2000.
7c7
< - input file
-> t11.in
---
> - input file
-> ../t11.in
9,10c9,10
< - root for input
files -> t1xi
< - root for output files
-> t1xo
---
> - root for input
files -> t11i
> - root for output files
-> t11o
214c214
< - Total cpu
time (s,m,h):
4.7
0.08
0.001
---
> - Total cpu
time (s,m,h):
4.6
0.08
0.001
221,229c221,228
(... 后面是时间信息...)
如果你不是在Linux下PC机上运行，会由一些小的数字差异，数量级最多是1.0d-10。如果还得到了其它的信息，就要寻求帮助了。
假定一切正常，我们将详细讨论出现的几个不同步骤：如何运行代码，t11.in输入文件里是什么，以及，t11.out和log输出文件里有什么。
1.1.e 代码的运行在abinis_help文件的1.2节有详细说明。
1.1.f
现在该编辑t11.in了。你可以先粗略地看看它。它并不长，大概四十行，主要是注释。不必试图立即明白所有的内容。读完之后，你会了解注释的说明，输入文件的一般格式在abinis_help文件的3.1节。
1.1.g 现在你可以更详细地察看输入变量了。见变量说明部分。
1.1.h
首先是log文件。你可以开始读它，它令人不太愉快。跳到它的最后。WARNINGS和COMMENTS表示退出。你可以在这个文件中找到它。有些是给有经验的用户提供的。现在不管它们。你可以在abinis_help文件的6.1节发现log文件更多的信息。
1.1.i 下面是t11.out文件。你可以在abinis_help
文件的6.2节发现输出文件的一些一般信息。你还应该：
·
检查t11.out文件的头
·
检查内存需求报告（不必读取没一个参量值）
· 检查输入数据的重复
直到读到以下信息：
chkinp : 检查输入参数的一致性。
如果代码没有在这里停顿，则输入参数是一致的。这里提供了很多默认值，并完成预处理。
可以回到预处理的输入文件重复部分，更详细地检查t11.in文件，读懂每一个变量的含义，如果它没有被执行的话。接下来你可以检查输入文件中没有定义单却在t11.out文件的重复部分出现的变量，
nband：它的值是2，是要被代码处理的电子态数量。它由统计单位cell中的价电子数（每个赝势价电子之和），来计算接下来占据最低态（见occ变量），并添加一些态（最后一步更依赖于体系的尺寸）来计算。
ngfft：它的值是 30 30 30，是三维FFT网格的点数。它来自ecut，和acell
(cell的尺寸)。
平面波最大数量mpw在内存评价部分提到，是752。
这还没有完全结束，因为代码利用对k点（0 0
0）有效的时间反转对称性减少大约两倍的平面波数量。一套完整的平面波是1503（见后面的t11.out文件）。代码通过istwfk=2使用时间反转对称性，代替通常默认的istwfk=1。
Nsym：它的值是16。这是体系对称性的数量。3x3矩阵symrel定义了对称性操作。在本例中，没有平移的对称性出现，它会在变量tnons中出现。代码对对称性做自动分析。即可以手动设置，也可以用symmetry
builder（后面说明）。
对于xcart，xangst和xred二者是任选的，用于定义在初始cell中的原子位置。
现在，可以去读abinis_help文件的6.3节t11.out剩余部分的说明了。同时参看t11.out文件。
1.1.j 你已经全部读完了输出文件！
你可以回答下面的这些问题吗？
· Q1.
使toldfe标准令人满意需要多少SCF循环？
· Q2.
能量有可能比toldfe更收敛吗？
· Q3.
每个原子以Ha/Bohr为单位的力的值是什么？
· Q4.
两个电子态之间的本征值有何不同？
· Q5.
哪里是局域最大电荷密度？以electrons/Bohr^3为单位有多大？
(答案见后)
1.2. 计算核间距(第一种方法)
1.2.a
我们将完整说明每一项的含义：由一些含义是必须了解的，即使你在这个指南中没有用到他们。它们可能在一些输入变量的说明中出现。所以，你应该看abinis_help文件的3.2节。
1.2.b 有三种方法计算量个氢原子之间的优化距离：
·
计算不同键长的总能量，把这些不同的点拟合，并决定最小的拟合函数；
·
计算不同键长的力，把这些不同的点拟合，并决定拟合函数的零点；
·
使用自动算法使能量最小化（或发现力的零点）
我们将计算不同键长的能量和力。这个练习将帮你学习如何使用多重数据集。t11.in文件的键长是1.4Bohr。如果你想计算键长从1.0
Bohr到2.0 Bohr，步长是0.05 Bohr，这就是21个计算。
如果你是Unix专家，这对你来说是很容易的：写一个脚本文件，自动改变输入文件的变量xcart驱动这21个计算，接着收集所有数据结果，以方便的格式绘图。
那么你是Unix专家吗？如果不是，这里有一个更容易的方法：全部在ABINIT里做！这是多重数据集模式，详细的说明见abinis_help文件的3.3，3.4，3.5和3.6节。
1.2.c 现在你可以写进行上面计算的输入文件了(键长从1.0 Bohr到2.0
Bohr，步长0.05
Bohr)。你可以从t11.in开始，定义一个序列，并使用getwfk输入变量（后面一个将使计算加快）。
你可能要看一看输入变量中irdwfk和getwfk部分：特别是getwfk
-l的含义。同样，明确定义态的数量（或超级单胞bands）为1，使用输入变量nband。输入文件~ABINIT/Tutorial/t12.in是输入文件的例子，~ABINIT/Tutorial/Refs/t12.out是例子的输出。如果你决定使用~ABINIT/Tutorial/t12.in文件，不要忘记改变t1x.files文件中的文件名……
用你的输入文件运行代码（可能要用一两分钟），迅速察看输出文件（里面有很多不同数集的迭代部分），在最后的变量重复部分得到汇集的输出能量：
etotal1
-1.0368223891E+00
etotal2
-1.0538645432E+00
etotal3
-1.0674504850E+00
etotal4
-1.0781904896E+00
etotal5
-1.0865814785E+00
etotal6
-1.0930286804E+00
etotal7
-1.0978628207E+00
etotal8
-1.1013539124E+00
etotal9
-1.1037224213E+00
etotal10
-1.1051483730E+00
etotal11
-1.1057788247E+00
etotal12
-1.1057340254E+00
etotal13
-1.1051125108E+00
etotal14
-1.1039953253E+00
etotal15
-1.1024495225E+00
etotal16
-1.1005310615E+00
etotal17
-1.0982871941E+00
etotal18
-1.0957584182E+00
etotal19
-1.0929800578E+00
etotal20
-1.0899835224E+00
etotal21
-1.0867972868E+00
你可能要绘制这些数据。上面列表中最小能量明显位于数集11和12之间，即：
xcart11
-7.5000000000E-01 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
7.5000000000E-01
0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
xcart12
-7.7500000000E-01 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
7.7500000000E-01
0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
对应的氢原子键长在1.5 Bohr和1.55 Bohr. 力变成零也在在1.5
Bohr和1.55 Bohr之间:
fcart11
-5.4963645520E-03 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
5.4963645520E-03
0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
fcart12
6.9585355532E-03 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
-6.9585355532E-03
0.0000000000E+00 0.0000000000E+00
用这两组值，使用线性插值，得到优化值1.522 Bohr。
1.3计算核间距（第二种方法）
1.3.a
另外一种方法是基于自动计算最小值。有各种不同的运算法则处理这个问题。见输入变量ionmov，使用的值为2，3和7。本例中，只有一个自由度被优化，最好选择ionmov=3。
完成了优化的最大循环次数的定义。设定输入变量ntime为10，这已经足够大了。为了tolmxf标准可以停止，使用比较合理的值5.0d-4
Ha/Bohr。这定义了考虑几何收敛的力的阈值。如果力的余差在达到ntime之前低于这个值，代码就会停止。
为了保证每个测试键长足够收敛，生成的力用改变SCF循环的数量作为停止的标准也是可以的。于是，在toldff中改变toldfe，并设定toldff比tolmxf还要小十倍。输入文件~ABINIT/Tutorial/t13.in是这个运算的例子，文件~ABINIT/Tutorial/Refs/t13.out是结果。如果使用这个文件，别
忘记在t1x.files中改变文件名。用你的输入文件运行代码（可能要用一两分钟），迅速察看输出文件（比t12.out文件要小得多），在最后的变量重复部分得到汇集的输出能量：
etotal
-1.1058360629E+00
fcart
1.8444410478E-04 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
-1.8444410478E-04
0.0000000000E+00 0.0000000000E+00
...
xcart
-7.6091415863E-01 0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
7.6091415863E-01
0.0000000000E+00
0.0000000000E+00
按照这些数据（见xcart），优化的键长大约是1.520
Bohr，与t12.out的估算值一致。如果你有时间（这要在家里完成），你可以改变停止的标准，重新进行计算，察看键长收敛的级别。
1.4. 计算电荷密度（略）
1.5. 计算原子化能
1.5.a 原子化能是把分子分离成都力中型原子的能量。
在这个例子中，首先计算孤立氢原子的总能量。原子化能是氢分子和两个氢原子总能量的差。在计算孤立氢原子中，还有一些细微之处：
·
在很多情况下，孤立原子的基态是自旋极化的，见变量nsppol和spinat；
·
最高占据能级可能被同样自旋的最低未占据能级简并，这通常对大多数金属是适合的。（见第四课）
·
更常见的情况是，基态电荷密度对称性不再是球形，所以用代码基于原子坐标决定对称性不能再使用，见输入变量nsym，在本例中设定为1。
对于氢，很幸运基态是球形的（1s轨道），最高占据和最低未占据能级虽然简并，但是有不同的自旋。我们写入每个自旋的占据数，见输入变量occopt（设定为2）和occ。
最后，为了消除数字误差，计算上面提到的对同一box，同一截断能，以及类似于分子情形中的在box中位置的偏差是非常重要的（虽然最后一项不那么重要）。
输入文件~ABINIT/Tutorial/t15.in是这个任务的例
