Google Colaboratory를 사용하여 무료로 첫 번째 원리 계산

최근 신형 코로나에서 실험을 할 수 없는 사람을 위해 “물성 실험가를 위한 무료로 할 수 있는 제일 원리 계산 입문”
htps : // 코메 ts 코메. 기주 b. 이오/DFT/부이 ld/
라고 하는 기사를 쓰고 있습니다만, 그 과정에서 Google Colab만으로 제일 원리 계산을 하는 방법을 알 수 있었으므로, 이쪽에서도 공유하고 싶습니다.

필요한 것

브라우저

Google 계정

사용하는 소프트웨어

Quantum Espresso : 첫 번째 원리 계산 소프트웨어

Atomic Simulation Environment (ASE) : 원자 분자 시뮬레이션을위한 파이썬 라이브러리
htps : // 코 m / 코메 ts 코메 _ Phys / MS / 4 A f134 6d959 A 7718b9

Quantum Espresso 설치

Google Colab에서 Quantum Espresso를 사용하려면 소스에서 소스에서 Cunatum Espresso를 컴파일해야 하지만 다음과 같은 방법으로 가능하다는 것을 알았습니다.
요점은 FFTW3을 설치하는 것입니다.

!git clone https://github.com/QEF/q-e.git
!apt-get install -y libfftw3-3 libfftw3-dev libfftw3-doc
%cd q-e
!DFLAGS='-D__OPENMP -D__FFTW3 -D__MPI -D__SCALAPACK' FFT_LIBS='-lfftw3'  ./configure --enable-openmp

소스를 다운로드하고 FFTW3을 설치하고 컴파일 준비를하고 있습니다.
둘째,

!make pw

에서 Quantum Espresso의 핵심 코드 인 pw.x를 실행할 수 있습니다.
나머지는 포스트 프로세스 도구, pp :

make pp

도 설치해 둡시다.

음, Google 협업으로 OSS 빌드
에서 볼 수 있듯이 여기에서 컴파일 된 바이너리는 12 시간 후에 사라집니다.
그러므로

from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')

을 실행하여 Google 드라이브에 바이너리를 저장합니다. 다음에 사용할 때는 이것을 해동하여 사용합니다.

%cd /content/
!zip -r /content/drive/'My Drive'/q-e.zip q-e 

으로 q-e.zip을 저장합니다.

Quantum Espresso를 실행할 수 있도록 환경 변수를 설정합니다. 즉,

import os
os.environ['PATH'] = "/content/q-e/bin:"+os.environ['PATH']

합니다.

ASE 설치

ASE 설치는 간단하며,

!pip install ase

에 들어갑니다.

첫 번째 원리 계산 테스트

그럼, 실제로 제일 원리 계산을 해 봅시다.

NaCl의 구조 최적화

NaCl 디렉토리를 만들고 이동합니다.

%cd /content
!mkdir NaCl
%cd NaCl

그리고 의사 잠재력을 다운로드합니다.

!wget https://www.quantum-espresso.org/upf_files/Na.pbesol-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF
!wget https://www.quantum-espresso.org/upf_files/Cl.pbesol-n-kjpaw_psl.1.0.0.UPF

이것은 NaCl 디렉토리에 들어갔다.

둘째,

from ase.build import bulk
from ase.calculators.espresso import Espresso
from ase.constraints import UnitCellFilter
from ase.optimize import LBFGS
import ase.io 

pseudopotentials = {'Na': 'Na.pbesol-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF',
                    'Cl': 'Cl.pbesol-n-kjpaw_psl.1.0.0.UPF'}  
rocksalt = bulk('NaCl', crystalstructure='rocksalt', a=6.0)
calc = Espresso(pseudopotentials=pseudopotentials,pseudo_dir = './',
                tstress=True, tprnfor=True, kpts=(3, 3, 3))

rocksalt.set_calculator(calc)

ucf = UnitCellFilter(rocksalt)
opt = LBFGS(ucf)
opt.run(fmax=0.005)

# cubic lattic constant
print((8*rocksalt.get_volume()/len(rocksalt))**(1.0/3.0))

를 실행하면 NaCl의 구조 최적화를 할 수 있습니다. 이 코드는 의사 포텐셜의 위치를 ​​pseudo_dir로 지정합니다. 이번에는 지금있는 디렉토리입니다.

Cu 밴드 다이어그램

다음으로 Cu의 밴드 다이어그램을 계산해 보겠습니다.

Cu 디렉토리를 만듭니다.

%cd /content
!mkdir Cu
%cd Cu

의사 잠재력을 다운로드합니다.

!wget https://www.quantum-espresso.org/upf_files/Cu.pz-d-rrkjus.UPF

자기 무착착 계산을 하여 전자 밀도를 결정합니다. 전자 밀도가 결정되면 각 k점에서 계산을 하여 밴드 다이어그램을 그릴 수 있습니다.

from ase import Atoms
from ase.build import bulk
from ase.calculators.espresso import Espresso
atoms = bulk("Cu")
pseudopotentials = {'Cu':'Cu.pz-d-rrkjus.UPF'}

input_data = {
    'system': {
        'ecutwfc': 30,
        'ecutrho': 240,
        'nbnd' : 35,
    'occupations' : 'smearing',
        'smearing':'gauss',
        'degauss' : 0.01},
    'disk_io': 'low'}  # automatically put into 'control'

calc = Espresso(pseudopotentials=pseudopotentials,kpts=(4, 4, 4),input_data=input_data,pseudo_dir = './')
atoms.set_calculator(calc)

atoms.get_potential_energy()
fermi_level = calc.get_fermi_level()
print(fermi_level)

그리고 밴드 다이어그램에 대한 계산을합니다.

input_data.update({'calculation':'bands',
                              'restart_mode':'restart',
                               'verbosity':'high'})
calc.set(kpts={'path':'GXWLGK', 'npoints':100},
          input_data=input_data)
calc.calculate(atoms)

여기서 kpts의 path에 좋아하는 브릴루앙 존의 점을 넣는 것으로, 간단하게 밴드 다이어그램을 그릴 수 있는 것이 ASE의 재미있는 점입니다.

마지막으로 밴드 다이어그램을 계산합니다.

import matplotlib.pyplot as plt

bs = calc.band_structure()
bs.reference = fermi_level
bs.plot(emax=40,emin=5)

이제 브라우저에서만 첫 번째 원리 계산을 수행할 수 있습니다.

계산 재개

별도로 날에 계산을 재개하고 싶다면 다음과 같이 할 수 있다고 생각합니다.

from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')
!cp /content/drive/'My Drive'/q-e.zip ./
!unzip q-e.zip
import os
os.environ['PATH'] = "/content/q-e/bin:"+os.environ['PATH']
!pip install ase

그런 다음 디렉토리를 만들고 거기에 가짜 잠재력을 다운로드하면됩니다.

!mkdir NaCl
%cd NaCl
!wget https://www.quantum-espresso.org/upf_files/Na.pbe-spn-kjpaw_psl.1.0.0.UPF
!wget https://www.quantum-espresso.org/upf_files/Cl.pbe-n-rrkjus_psl.1.0.0.UPF