Objetivos de FHI

FHI-aims (Fritz Haber Institute ab initio materials simulations) es un paquete de software para la ciencia computacional molecular y de materiales escrito en Fortran . Utiliza la teoría del funcional de la densidad y la teoría de perturbación de muchos cuerpos para simular las propiedades químicas y físicas de átomos, moléculas, nanoestructuras, sólidos y superficies. Desarrollado originalmente en el Instituto Fritz Haber de Berlín , el desarrollo continuo del código fuente de FHI-aims está impulsado actualmente por una comunidad mundial de instituciones de investigación colaboradoras. ^{[ 1 ]}

El paquete de software FHI-aims es un código de estructura electrónica de potencial completo y de todos los electrones que utiliza funciones base numéricas centradas en átomos para sus cálculos de estructura electrónica. El conjunto de bases localizadas permite el tratamiento preciso de todos los electrones en igualdad de condiciones en sistemas periódicos y no periódicos, sin depender de aproximaciones para los estados del núcleo , como los pseudopotenciales . Es importante destacar que los conjuntos de bases permiten una alta precisión numérica, comparable a la de los mejores métodos de referencia de todos los electrones disponibles, manteniendo la escalabilidad a sistemas de hasta varios miles de átomos. Para lograr esto en sólidos masivos, superficies u otros sistemas y moléculas de baja dimensionalidad, la elección de las funciones base es crucial. La carga de trabajo de las simulaciones se puede distribuir eficientemente para la computación paralela mediante el protocolo de comunicación MPI . El código se utiliza habitualmente en plataformas que van desde ordenadores portátiles hasta superordenadores distribuidos y paralelos con decenas de miles de CPU, y su escalabilidad se ha probado hasta cientos de miles de CPU. ^{[ 2 ]}

Los métodos de producción principales de FHI-aims son la teoría del funcional de la densidad, así como los métodos de muchos cuerpos y los enfoques de química cuántica de alto nivel. ^{[ 3 ]} Para el tratamiento de intercambio - correlación , se han implementado funcionales locales ( LDA ), semilocales (p. ej., PBE, PBEsol), meta-GGA e híbridos (p. ej., HSE06, B3LYP). Los orbitales resultantes pueden utilizarse dentro del marco de la teoría de perturbación de muchos cuerpos, como la teoría de perturbación de Møller-Plesset o la aproximación GW . Además, las propiedades termodinámicas de las moléculas y los sólidos son accesibles mediante los métodos de dinámica molecular de Born-Oppenheimer y de dinámica molecular de integral de trayectoria . El primer paso es ampliar los paquetes de orbitales de Kohn-Sham.${\displaystyle \psi _{i}(r)}$en un conjunto de funciones base${\displaystyle \{\phi _{j}(r)\}}$$${\displaystyle \psi _{i}(r)=\sum _{j}C_{ij}\phi _{j}(r).}$$ Dado que FHI-aims es un código de potencial completo para todos los electrones que es computacionalmente eficiente sin comprometer la precisión, la elección de la función base es crucial para lograr dicha precisión. Por lo tanto, FHI-aims se basa en orbitales centrados en átomos (NAO) tabulados numéricamente de la forma: $${\displaystyle \phi _{j}(r)={\frac {\mu _{j}(r)}{r}}Y_{lm}(\Omega ).}$$ Como su nombre lo indica, la forma radial${\displaystyle \mu _{j}(r)}$está tabulado numéricamente y, por lo tanto, es totalmente flexible. Esto permite la creación de conjuntos de bases optimizados dependientes de elementos que son lo más compactos posible, manteniendo al mismo tiempo una precisión alta y transferible en los cálculos de producción hasta la convergencia de energía total a nivel de meV. Para obtener valores reales${\displaystyle \phi _{j}(r)}$,${\displaystyle Y_{lm}(\Omega )}$aquí denota las partes reales (${\displaystyle m=0,\ldots ,l}$) y partes imaginarias (${\displaystyle m=-l,\ldots ,-1}$) de armónicos esféricos complejos, con${\displaystyle l}$una función implícita del índice de la función radial${\displaystyle j}$. ^{[ 4 ]}

La primera línea de código del programa FHI-aims se escribió a finales de 2004, utilizando como base el solucionador atómico empleado en el paquete de programas de pseudopotenciales fhi98PP del Instituto Fritz Haber para obtener funciones radiales que se usarían como funciones base. Los primeros desarrollos se beneficiaron enormemente del excelente conjunto de tecnologías numéricas descritas en varias publicaciones de Bernard Delley ^{[ 5 ] [ 6 ]} y colaboradores en el contexto del código DMol3 , ^{[ 7 ]} así como de muchos desarrollos metodológicos más amplios publicados en la comunidad de teoría de la estructura electrónica a lo largo de los años. Los esfuerzos iniciales en FHI-aims se centraron en desarrollar una biblioteca completa de conjuntos de bases numéricas centradas en átomos para la teoría del funcional de la densidad, desde una precisión "ligera" hasta una precisión muy alta (pocos meV/átomo) para energías totales, disponible para los elementos hasta el nobelio (Z=102) en toda la tabla periódica. ^{[ 8 ]}

Para 2006, se había comenzado a trabajar en la funcionalidad paralela, la compatibilidad con condiciones de contorno periódicas, los gradientes de energía total (fuerzas) y la teoría de perturbación de intercambio exacto y de muchos cuerpos. El 18 de mayo de 2009, se publicó una primera versión formal del código, "051809", que sentó las bases para ampliar la base de usuarios y desarrolladores del código.

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