DebiChem Periodic Ab Initio Calculations packages

ABINIT è un pacchetto il cui programma principale permette di trovare l'energia totale, la densità di carica e la struttura elettronica di sistemi fatti da elettroni e nuclei (molecole e solidi periodici) nella teoria del funzionale della densità (DFT), usando pseudopotenziali e basi a onda piana.

ABINIT include anche opzioni per ottimizzare la geometria secondo le forze e le sollecitazioni della DFT, o per eseguire simulazioni molecolari dinamiche usando tali forze, o per generare matrici dinamiche, cariche di Born effettive e tensori dielettrici. Gli stati eccitati possono essere calcolati nella teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (per le molecole), o nella teoria della perturbazione a molti corpi (l'approssimazione GW). In aggiunta al codice principale di ABINIT, sono forniti diversi programmi di utilità.

Questo pacchetto contiene gli eseguibili necessari per effettuare i calcoli (gli pseudopotenziali non sono tuttavia forniti). Per un insieme di pseudopotenziali installare il pacchetto abinit-data.

CP2K è un programma per fare simulazioni di sistemi allo stato solido, liquido, sistemi molecolari e biologici. È espressamente pensato per metodi per strutture elettroniche massivamente paralleli e scalabili linearmente e per simulazioni di dinamica molecolare ab-initio (AIMD) allo stato dell'arte. Le sue caratteristiche comprendono:

CP2K è ottimizzato per il metodo misto GPW (gaussiane e onde piane) basato su pseudopotenziali, ma è in grado di eseguire anche i calcoli a tutti gli elettroni oppure puramente su onde piane/gaussiane. Le sue funzionalità includono:

Metodi della teoria della struttura elettronica ab-initio usando il modulo QUICKSTEP:

• energie e forze della teoria del funzionale della densità (DFT);
• energie e forze Hartree-Fock (HF);
• energie e forze della teoria della perturbazione di secondo ordine di Moeller-Plesset (MP2);
• energie RPA (Random Phase Approximation);
• fase gassosa e condizioni periodiche al contorno (PBC, Periodic Boundary Conditions);
• gli insiemi base includono vari orbitali di tipo gaussiano (GTO) standard, onde piane (PW) pseudopotenziali e un approccio misto gaussiano e con onde piane (aumentate) (GPW / GAPW);
• pseudo potenziali a norma conservata separabili GTH (Goedecker-Teter- Hutter) e NLCC (Non-Linear Core Corrected) o calcolo a tutti gli elettroni;
• pseudopotenziali (PP) incluso il PP a norma conservata separabile Goedecker-Teter-Hutter (GTH);
• funzionali XC di approssimazione della densità locale (LDA) inclusi SVWN3, SVWN5, PW92 e PADE;
• funzionali XC a gradiente corretto (GGA) inclusi BLYP, BP86, PW91, PBE e HCTH120, così come il funzionale XC meta-GCA TPSS;
• funzionali XC ibridi con scambio Hartree-Fock (HFX) esatto inclusi B3LYP, PBE0 e MCY3;
• funzionali XC doppio-ibrido XC inclusi B2PLYP e B2GPPLYP;
• funzionali XC aggiuntivi attraverso LibXC;
• correzioni di dispersione attraverso modelli di potenziale di coppia DFT-D2 e DFT-D3;
• correzioni van der Waals non locali per funzionali XC inclusi B88-vdW, PBE-vdW e B97X-D;
• correzione DFT+U (Hubbard);
• fitting della densità per DFT con Bloechl o DDAPC (Density Derived Atomic Point Charges), per HFX con metodi ADMM (Auxiliary Density Matrix Methods) e per MP2/RPA con RI (risoluzione all'identità);
• tecniche per matrici sparse e prescreening per calcolo di matrici Kohn-Sham (KS) per scalamento lineare;
• minimizzatore del campo autoconsistente (SCF) per trasformazioni di orbitale (OT) o inversione diretta del sottospazio iterativo (DIIS);
• metodo LRIGPW (Local Resolution-of-Identity Projector Augmented Wave);
• energie ALMO-SCF (Absolutely Localized Molecular Orbitals SCF) per scalamento lineare di sistemi molecolari;
• stati eccitati attraverso TDDFPT (teoria della perturbazione della funzione di densità dipendente dal tempo).

Dinamica molecolare ab-initio:

• dinamica molecolare Born-Oppenheimer (BOMD);
• dinamica molecolare Ehrenfest (EMD);
• estrapolazione PS di funzione d'onda iniziale;
• integratore ASPC (Always Stable Predictor-Corrector) reversibile nel tempo;
• dinamica molecolare approssimata Car-Parinello stile Langevin Born-Oppenheimer (dinamica molecolare Car-Parrinello di seconda generazione, SGCP).

Simulazioni miste quantistiche/classiche (QM/MM):

• approccio multigriglia in spazio reale per la valutazione delle interazioni di Coulomb tra la parte QM e quella MM;
• trattamento con accoppiamento elettrostatico con scalamento lineare delle condizioni periodiche al contorno;
• QM/MM adattivo.

Ulteriori funzionalità includono:

• calcoli di energie di singolo punto, ottimizzazioni geometriche e frequenze;
• svariati algoritmi per NEB (Nudged-Elastic Band) (B-NEB, IT-NEB, CI-NEB, D-NEB) per calcoli del percorso a energia minima (MEP);
• ottimizzazione globale delle geometrie;
• solvatazione con il modello SCCS (Solvation via the Self-Consistent Continuum);
• calcoli semi-empirici incluse le parametrizzazioni AM1, RM1, PM3, MNDO, MNDO-d, PNNL e PM6, DFTB (Density-Functional Tight-Binding) e SCP-TB (Self-Consistent Polarization Tight-Binding) con o senza condizioni periodiche al contorno;
• simulazioni di dinamica molecolare (MD) classica in insiemi microcanonici (NVE) o insiemi canonici (NVT) con campionamento Nose-Hover e canonico attraverso termostati a riscalamento di velocità (CSVR);
• metadinamiche inclusa la metadinamica ben-temperata per calcoli dell'energia libera;
• simulazioni classiche del campo di forza (MM);
• simulazioni KS-DFT Monte-Carlo (MC);
• proprietà statiche (es. spettri) e dinamiche (es. diffusione);
• codice ATOM per generazione di pseudopotenziali;
• ottimizzazione integrata dell'insieme di base molecolare.

CP2K non implementa la dinamica molecolare convenzionale di Car-Parrinello (CPMD).

Codice Python per la teoria del funzionale di densità (DFT) basato sul metodo PAW (Projector-Augmented Wave) e l'ambiente ASE (Atomic Simulation Environment). Usa i metodi delle griglie uniformi nello spazio reale e delle griglie multiple, funzioni base centrate sugli atomi o onde piane.

NWCHem è un programma per chimica computazionale. Fornisce metodi che sono scalabili sia nella loro capacità di trattare efficacemente vasti problemi di chimica computazionale, sia nell'uso di risorse per elaborazione in parallelo disponibili, dai supercomputer paralleli ad altissime prestazioni ai classici cluster di workstation.

NWChem può gestire:

• Tecniche che coinvolgono la struttura elettronica molecolare usando funzioni di tipo gaussiano per calcoli di molecole con alta precisione
• Tecniche che coinvolgono la struttura elettronica ad onde piane di pseudopotenziale per il calcolo di molecole, liquidi, cristalli, superfici, semiconduttori o metalli
• Simulazioni di dinamica molecolare classica ed ab-initio
• Simulazioni con tecniche miste di chimica quantistica e classica
• Scalabilità parallela fino a migliaia di processori

Funzionalità incluse:

• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare con derivate analitiche al second'ordine:
• Hartree-Fock ristretta o non ristretta (RHF, UHF)
• Teoria del funzionale densità (DFT) ristretta usando numerosi potenziali di correlazione di scambio, locali, non-locali (corretto con il gradiente) e ibridi (locali, non-locali e HF)
• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare con gradienti analitici:
• Hartree-Fock ristretta a shell aperta (ROHF)
• Teoria del funzionale densità (DFT) non ristretta
• Teoria perturbativa di Moeller-Plesset al secondo ordine (MP2), usando come riferimento RHF e UHF
• MP2 con approssimazione della risoluzione di integrale identità (RI-MP2)
• Spazio attivo completo SCF (CASSCF)
• Teoria del funzionale densità dipendente dal tempo (TDDFT)
• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare, energia di singolo punto:
• MP2 con approccio scalato alla componente spin (SCS-MP2)
• Metodi Coupled Cluster con singole, doppie o triple eccitazioni, o triple eccitazioni perturbative (CCSD, CCSDT, CCSD(T)), usando come riferimento RHF e UHF
• Interazione di configurazione (CISD, CISDT e CISDTQ)
• Metodo Coupled Cluster con singole o doppie eccitazioni approssimato al secondo ordine (CC2)
• Ulteriori caratteristiche delle strutture elettroniche molecolari:
• Ottimizzazione della geometria incluse rilevazioni di stati di transizione, vincoli e percorsi di minima energia
• Frequenze di vibrazione
• Equazioni del moto (EOM)-CCSD, EOM-CCSDT, EOM-CCSD(T), CC2, Interazione di configurazione singola (CIS), HF (TDHF) e TDDFT dipendenti dal tempo, per stati eccitati con riferimenti RHF, UHF, RDFT o UDFT
• Solvatazione usando il modello di analisi di tipo conduttore (COSMO) per RHF, ROHF e DFT
• Calcoli ibridi usando il modello ONIOM a due e tre strati
• Effetti relativistici attraverso le approssimazioni tipo Douglas-Kroll ad un elettrone senza spin o con accoppiamento spin-orbita e approssimazione regolare all'ordine zero (ZORA); effetti di accoppiamento spin-orbita ad un elettrone per DFT con potenziali spin-orbita
• Struttura elettronica con onda piana a pseudopotenziale:
• Onda piana a pseudopotenziale (PSPW), Projector Augmented Wave (PAW) o metodi di struttura delle bande per calcolo di molecole, liquidi, cristalli, superfici, semiconduttori o metalli
• Ottimizzazione di geometria o celle unitarie incluse rilevazioni di stati di transizione
• Frequenze di vibrazione
• Potenziali di correlazione-scambio di tipo LDA, PBE96 e PBE0 (ristretti o non ristretti)
• Funzionali SIC, pert-OEP, Hartree-Fock e ibridi (ristretti o non ristretti)
• Pseudopotenziali a conservazione di norma con correzione di semicore di tipo Hamann, Troullier-Martins e Hartwigsen-Goedecker-Hutter
• Grafici per funzioni d'onda, densità, elettrostatica e di Wannier
• Generazione della struttura a bande e della densità di stato
• Dinamica molecolare ab-initio Car-Parrinello (CPMD):
• Dinamica ad energia e temperatura costante
• Integrazione con algoritmo di Verlet
• Vincoli geometrici in coordinate cartesiane
• Dinamica molecolare classica (MD):
• Valutazione dell'energia di singola configurazione
• Minimizzazione dell'energia
• Simulazioni di dinamica molecolare
• Simulazione di energia libera (metodi di termodinamica perturbativa a multistep (MSTP) o integrazione termodinamica a molte configurazioni (MCTI) con opzioni di singola o doppia topologia, campionamento a doppia larghezza, scalatura con spostamento e separazione)
• Campi di forze con potenziale efficace di coppia, polarizzazione al primo ordine, polarizzazione autocoerente, maglia Ewald di particella omogenea (SPME), condizioni periodiche al contorno e vincoli di tipo SHAKE
• Mix quantistico classico:
• Minimizzazioni miste con meccanica quantistica e meccanica molecolare (QM/MM) e simulazioni di dinamica molecolare
• Simulazione di dinamiche molecolari quantistiche utilizzando qualsiasi metodo di meccanica quantistica in grado di restituire gradienti.

Il pacchetto fornisce script di input d'esempio e dipende da nwchem compilato per l'implementazione MPI predefinita per l'architettura.

L'MPI predefinito è openmpi per la maggior parte dei sistemi Debian. OpenMPI ha problemi noti con l'esecuzione di nwchem su nodi multipli. Se si ha la necessità di calcolare grandi molecole usando il calcolo in cluster, si può voler usare invece la versione MPICH fornita da nwchem-mpich.

OpenMX (Open source package for Material eXplorer) è un pacchetto di programmi per simulazioni su materiali a nanoscala basato su teorie funzionali di densità (DFT), pseudopotenziali a norma conservata e funzioni di basi pseudo-atomiche localizzate. Dal momento che il codice è progettato per la realizzazione di calcoli ab initio su larga-scala su computer paralleli, si prevede che OpenMX possa essere uno strumento utile e potente per la scienza dei materiali a nano-scala in un'ampia varietà di sistemi come biomateriali, nanotubi di carbonio, materiali magnetici e conduttori a nano-scala.

Quantum ESPRESSO (prima chiamato PWscf) è una suite integrata di sorgenti per calcoli di strutture elettroniche e modellazione di materiali alla nanoscala. È basato sulla teoria del funzionale densità, sulle onde piane e sui pseudopotenziali (sia a norma conservata, sia ultrasoft, sia PAW).

Tra le funzionalità vi sono:

• calcoli dello stato fondamentale e della struttura delle bande tramite sollecitazioni, forze ed energie totali autocoerenti di onde piane;
• pseudopotenziali a norma conservata e ultrasoft (Vanderbilt) separabili, PAW (Projector Augmented Waves);
• vari funzionali di scambio e correlazione, dalla LDA alle approssimazioni di gradiente generalizzato (PW91, PBE, B88-P86, BLYP) fino a funzionali meta-GGA, di scambio esatto (HF) e ibridi (PBE0, B3LYP, HSE);
• dinamica molecolare Car-Parrinello e Born-Oppenheimer;
• ottimizzazione strutturale che include stati di transizione e percorsi ad energia minima;
• magnetismo non collineare e accoppiamento spin-orbita;
• proprietà di risposta che includono frequenze di fononi e autovettori, cariche efficaci e tensori dielettrici, sezioni d'urto Raman ed infrarossi, spostamenti chimici EPR e NMR;
• proprietà spettroscopiche come l'eccitazione elettronica e le righe K ed L1 nello spettro di assorbimento ai raggi X (XAS, X-ray Absorption Spectra).

Wannier90 è un software per struttura elettronica che calcola funzioni di Wannier con localizzazione ottimale (MLWF). Funziona sopra ad altro software per struttura elettronica, come Abinit, FLEUR e PwSCF.

Questo pacchetto fornisce gli eseguibili di Wannier90.