Hướng dẫn thực hành với nguyên lý đầu DFT và phần mềm tính toán Quantum ESPRESSO

Mặc dù trên blog này đã có vài bài về nguyên lý đầu DFT như “50 năm đóng góp và hình thành của lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)” hoặc “Hiệu suất của DFT với Quantum ESPRESSO phần III“. Tuy nhiên một hướng dẫn để giúp mọi người có thể nhanh chóng thực hành trên chúng thì chưa có trên blog. Để đỡ mất thời gian của các bạn, những người chưa có khái niệm về DFT và Quantum ESPRESSO, tôi sẽ giới thiệu nhanh chóng về chúng. Nếu thấy chúng hấp hẫn hoặc hữu ích cho nghiên cứu của bạn, thì các bạn có thể tiếp tục với hướng dẫn này.

  • DFT là gì: DFT là một lý thuyết có thể mô tả bản chất vật lý và hoá học của hệ một cách chính xác ở quy mô nguyên tử. Trong một hệ ở quy mô nguyên tử (nghĩa là bao gồm vài cho tới vài trăm nguyên tử) về cơ bản là bao gồm rất nhiều điện tử (electron) và các hạt nhân. Do đó xuất hiện hàng ngàn các tương tác giữa các điện tử với nhau, điện tử và hạt nhân, hạt nhân và hạt nhân, mà thường là tương tác tĩnh điện. Để giải quyết các phương trình tương tác như vậy, chúng đòi hỏi một siêu máy tính mà quy mô của nó thậm chí còn chưa siêu máy nào ngày này đạt được. Do đó về nguyên tắc, chúng ta không thể làm được điều đó với cơ học lượng tử thuần tuý. May mắn, sự ra đời của DFT đã giúp chúng ta làm điều này bằng cách nhóm các điện tử bay loạn xạ trong hệ thành một đám mây mật độ, và chỉ xem xét các tương tác giữa các mật độ này với nhau. Từ đó một số lượng phương trình được giảm một cách đáng kể, và chúng ta có thể giải quyết vấn đề này thậm chí trên một máy tính cá nhân. Đó cũng chính là lý do DFT ngày nay đã trở thành lý thuyết được sử dụng phổ biến nhất để giải quyết các bài toán mà cần đòi hỏi kết quả một cách chính xác với bản chất tự nhiên (lượng tử) của hệ.
  • Quantum ESPRESSO là gì: QE chính là một phần mềm mà mã hoá các phương trình vật lý của DFT thành các thuật toán mà máy tính có thể hiểu được (thường viết bởi ngôn ngữ Fortran). QE là một trong những phần mềm nổi tiếng trong lĩnh vực này, cám ơn cộng đồng mạng và phần mềm mở. Theo thống kê của Google Scholar thì năm 2015 có hơn 2000 bài báo sử dụng QE, và bài báo gốc của QE có hơn 6000 lượt trích dẫn. Chúng tôi cũng có hơn 4 bài báo sử dụng phần mềm này.

Tiếp theo tôi muốn giới thiệu với các bạn tài liệu từ hội thảo mà chúng tôi đã tổ chức tại khoa Vật lý trường Tohoku với sự tài trợ của MD Program và MEXT. Đây có thể gọi là một hội thảo thành công vì có sự góp mặt hơn 50 người tham gia bao gồm các giáo sư, phó giáo sư, sinh viên đại học và sau đại học. Mặc dù là người tổ chức hội thảo, nhưng cá nhân tôi khá bất ngờ về số lượng người tham gia, và nó cũng khiến tôi quay như chong chóng. Okye, đây là website của hội thảo: https://sites.google.com/site/fpw2016md/ các bạn cũng thể xem qua vài hình ảnh đẹp được ghi lại tại địa chỉ: https://sites.google.com/site/fpw2016md/photos cám ơn tất cả mọi người, nếu không có họ sẽ không có hội thảo này. Trong hội thảo này việc quan trọng là việc chuẩn bị tài liệu cho mọi người thực hành, và đó cũng là những tài liệu tôi muốn chia sẻ với các bạn, cho những người lần đầu tiên tiếp cận với DFT và Quantum ESPRESSO. Tài liệu như sau:

  1. Handout: Giới thiệu nhanh về cài đặt QE trên MacOS, Ubuntu, …
  2. Hướng dẫn I: Hướng dẫn sử dụng QE cho tính toán năng lượng cơ bản và cấu hình cân bằng của hệ, bao gồm ví dụ cho Silicon và Graphene.
  3. Hướng dẫn II: Hướng dẫn sử dụng QE cho tính toán mật độ điện tử, cấu trúc vùng năng lượng, mật độ trạng thái (DOS), và dao động mạng tinh thể phonon.

  4. Hướng dẫn III: Hướng dẫn sử dụng QE cho tính toán nâng cao kết hợp với phần mềm Wannier90 cho tính toán giao thông vận tải trong hệ như truyền điện …

Các ơn các bạn đã quan tâm tới bài viết cũng như hướng dẫn của chúng tôi. Nếu các bạn thực hành trên tài liệu trên, hay có bất cứ thắc mắc gì, đừng ngần ngại email cho tôi theo địa chỉ: nguyen@flex.phys.tohoku.ac.jp

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s