2023年，注定是不平凡的一年！從本期開始，我們將對理論與計算領(lǐng)域的大牛，對之前的成果工作進(jìn)行簡單匯總，希望能夠為科研工作者們提供一些思路及想法。本期為2023版新版名人堂介紹，本期為第15期。

名人介紹

楊偉濤教授，美國杜克大學(xué)教授，獲得美國物理學(xué)會Elected Fellow，國際量子分子科學(xué)研究院院士，杰出美國科學(xué)家洪堡獎，杰出青年華人科學(xué)家，清華大學(xué)“長江學(xué)者”講座教授等榮譽(yù)。正在開發(fā)大系統(tǒng)的量子力學(xué)計算方法，并進(jìn)行生物系統(tǒng)和納米結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模擬。他的團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)了電子結(jié)構(gòu)計算的線性標(biāo)度方法，以及最近開發(fā)的用于模擬酶中化學(xué)反應(yīng)的 QM/MM 方法。

研究成果

1. JCTC：LibSC密度泛函理論中的標(biāo)度校正方法庫

近年來，楊實驗室開發(fā)了一系列縮放校正(SC)方法，以減少和消除傳統(tǒng)密度泛函理論(DFT)中固有且系統(tǒng)存在的局部化誤差?；趶V泛的數(shù)值結(jié)果，SC方法被證明能夠有效減少局部化誤差，并為許多關(guān)鍵和具有挑戰(zhàn)性的問題提供準(zhǔn)確的描述，包括基本能隙、光發(fā)射光譜、電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)和極化率。在SC方法的開發(fā)中，SC方法主要在楊實驗室為研究開發(fā)的QM4D軟件包中實現(xiàn)。對QM4D軟件包的嚴(yán)重依賴阻礙了SC方法被研究人員廣泛應(yīng)用。在本工作中，研究者開發(fā)了一個可靠高效的全局縮放校正(GSC)方法和局部化軌道縮放校正(LOSC)方法的實現(xiàn)庫LibSC。LibSC將作為輕量級和開源庫，可輕松地由量子化學(xué)社區(qū)訪問。LibSC的實現(xiàn)經(jīng)過仔細(xì)模塊化，提供了進(jìn)行SC方法計算的基本功能。此外，LibSC提供了簡單一致的接口，支持多種流行的編程語言，包括C、C++和Python。除了開發(fā)庫外，研究者還將LibSC與兩個流行且開源的量子化學(xué)軟件包Psi4和PySCF集成在一起，為一般用戶提供使用SC方法進(jìn)行計算的直接訪問。

參考文獻(xiàn)：

Mei, Yuncai, et al. "LibSC: Library for Scaling Correction Methods in Density Functional Theory."?Journal of chemical theory and computation?18.2 (2022): 840-850.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.1c01058

2.JCTC：結(jié)合重整化單 GW 方法和 Bethe-Salpeter 方程求解精確的中性激發(fā)能

在此，研究者將重整化單電子(RS)格林函數(shù)應(yīng)用于Bethe-Salpeter方程(BSE)/GW方法，以預(yù)測分子系統(tǒng)的準(zhǔn)確中性激發(fā)能。BSE計算在GRSWRS方法之上進(jìn)行，該方法也使用RS格林函數(shù)來計算篩選電荷相互作用W。研究者證明，通過基準(zhǔn)Truhlar-Gagliardi集，Stein CT集和原子Rydberg測試集，BSE/GRSWRS方法明顯優(yōu)于BSE/G0W0方法，用于預(yù)測價態(tài)、里德堡和電荷轉(zhuǎn)移(CT)激發(fā)的能級。對于Truhlar-Gagliardi測試集，BSE/GRSWRS與時間依賴密度泛函理論(TDDFT)具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，并略好于從特征值自適應(yīng)廣義相對論(evGW)開始的BSE。對于Stein CT測試集，BSE/GRSWRS明顯優(yōu)于BSE/G0W0和TDDFT,其準(zhǔn)確性可與BSE/evGW相媲美。研究者還表明，BSE/GRSWRS能夠很好地預(yù)測原子系統(tǒng)的里德堡激發(fā)能。除了出色的準(zhǔn)確性外，BSE/GRSWRS在很大程度上消除了對密度泛函近似選擇的依賴性。這項工作表明，BSE/GRSWRS方法對于預(yù)測廣泛范圍內(nèi)系統(tǒng)的激發(fā)能是準(zhǔn)確且高效的，從而擴(kuò)大了BSE/GW方法的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

Li, Jiachen, and Weitao Yang. "Renormalized Singles with Correlation in GW Green’s Function Theory for Accurate Quasiparticle Energies."?The Journal of Physical Chemistry Letters?13.40 (2022): 9372-9380.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00686

3.JCTC：線性標(biāo)度計算的分治法中的正則局域分子軌道

非正交局域分子軌道(NOLMOs)已被用作分布式-并行(DC)線性縮放方法的構(gòu)建塊。NOLMOs是從子系統(tǒng)中計算得出的，并用于構(gòu)建整個系統(tǒng)的密度矩陣(DM),而不是在原始DC方法中使用子系統(tǒng)DM。此外，與原始DC方法不同，不再需要逆電子溫度參數(shù)β。此外，還開發(fā)了一種新的正則化局域化方法，該方法將局域化成本函數(shù)定義為空間擴(kuò)展函數(shù)(如Boys方法)和動能之和，作為正則化措施來限制NOLMOs的振蕩。通過解析梯度進(jìn)行優(yōu)化可以確定動能的最佳權(quán)重。由于降低了動能，所得到的正則化NOLMOs具有更好的平滑性和更好的轉(zhuǎn)移性。與原始DC相比，盡管NOLMO-DC具有類似的計算線性縮放成本，但對于大共軛體系而言，NOLMO-DC的準(zhǔn)確性要高幾個數(shù)量級，對于其他系統(tǒng)而言，要高約1個數(shù)量級。因此，NOLMO-DC方法是DC方法進(jìn)行線性縮放計算的有前途的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

Li, Jiachen, and Weitao Yang. "Renormalized Singles with Correlation in GW Green’s Function Theory for Accurate Quasiparticle Energies."?The Journal of Physical Chemistry Letters?13.40 (2022): 9372-9380.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00142

4.JPCL：準(zhǔn)準(zhǔn)粒子能量 GW Green 函數(shù)理論中的相關(guān)重整化單體

在此，研究者采用關(guān)聯(lián)(RSc)格林函數(shù)在GW近似下對準(zhǔn)粒子(QP)能量和軌道進(jìn)行精確計算。RSc格林函數(shù)包括來自相關(guān)密度泛函近似(DFA)的單光子貢獻(xiàn)，并在理論上考慮了相關(guān)的貢獻(xiàn)。GRScWRSc使用RSc格林函數(shù)作為新的起點，并在其篩選相互作用的公式中使用。GRScW0將篩選相互作用固定在DFA水平上。對于電離能的計算，GRScWRSc和GRScW0顯著降低了起始點依賴性，并提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，誤差約為0.2eV。對于核心能級結(jié)合能的計算，由于過篩作用，GRScWRSc略微高估了結(jié)果，但在GGA基組下的GRScW0提供了最優(yōu)的準(zhǔn)確性，誤差為0.40eV。研究者還展示了GRScWRSc可以預(yù)測準(zhǔn)確的偶極矩。與任何自洽的GW方法相比，GRScWRSc和GRScW0在計算上具有優(yōu)勢。RSc方法有望使GW和其他格林函數(shù)方法變得高效和穩(wěn)健。

參考文獻(xiàn)：

Li, Jiachen, and Weitao Yang. "Renormalized Singles with Correlation in GW Green’s Function Theory for Accurate Quasiparticle Energies."?The Journal of Physical Chemistry Letters?13.40 (2022): 9372-9380.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c02051

5.PRB：周期系統(tǒng)的局部軌道定標(biāo)校正

密度泛函理論在可接受的計算成本下，提供了準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)預(yù)測，但常用的近似方法都存在局域化誤差，這導(dǎo)致有限和晶格系統(tǒng)的能帶隙、能量級對齊和界面上的電子分布等量的預(yù)測不準(zhǔn)確。局部化軌道縮放校正(LOSC)是通過使用空間和能量局部化的軌道來糾正局域化誤差的方法。這些局部化的軌道跨越了占據(jù)和未占據(jù)的空間，并且可以具有分?jǐn)?shù)占據(jù)以糾正總能量和一電子能量本征值。在此，研究者將LOSC方法擴(kuò)展到周期性系統(tǒng)中，其中使用的局部化軌道是雙重局部化的Wannier函數(shù)。鑒于 bulk 環(huán)境對局部化軌道之間的靜電相互作用的影響，研究者修改了LOSC能量校正，包括一個篩選庫侖核。對于半導(dǎo)體和大間隙絕緣體的一個測試集，研究者表明篩選后的LOSC方法與父密度泛函近似相比一致地提高了帶隙。

參考文獻(xiàn)：

Mahler, Aaron, et al. "Localized orbital scaling correction for periodic systems."?Physical Review B?106.3 (2022): 035147.

原文鏈接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.035147