[論文レビュー] Electron-phonon physics from first principles using the EPW code

Hyungjun Lee, Samuel Poncé+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

EPW は第一原理の電子-格子相互作用計算を Wannier 補間で実現するオープンソースの ab initio コードで、輸送・超伝導・ポラロン・フォノン支援光学の予測的計算を超微細格子で行う。論文は EPW v6（2016–2022）までの重要な発展をレビューする。

ABSTRACT

EPW is an open-source software for $\textit{ab initio}$ calculations of electron-phonon interactions and related materials properties. The code combines density functional perturbation theory and maximally-localized Wannier functions to efficiently compute electron-phonon coupling matrix elements on ultra-fine Brillouin zone grids. This data is employed for predictive calculations of temperature-dependent properties and phonon-assisted quantum processes in bulk solids and low-dimensional materials. Here, we report on significant new developments in the code that occurred during the period 2016-2022, namely: a transport module for the calculation of charge carrier mobility and conductivity under electric and magnetic fields within the $\textit{ab initio}$ Boltzmann transport equation; a superconductivity module for the calculation of critical temperature and gap structure in phonon-mediated superconductors within the $\textit{ab initio}$ anisotropic multi-band Eliashberg theory; an optics module for calculations of phonon-assisted indirect transitions; a module for the calculation of small and large polarons without supercells using the $\textit{ab initio}$ polaron equations; and a module for calculating electron-phonon couplings, band structure renormalization, and temperature-dependent optical spectra using the special displacement method. For each capability, we outline the methodology and implementation, and provide example calculations. We describe recent code refactoring to prepare EPW for exascale architectures, we discuss efficient parallelization strategies, and report on extreme parallel scaling tests.

研究の動機と目的

• 第一原理からの電子-格子相互作用の予測的で非経験的な計算を動機づけ、説明する。
• 様々な性質のための EPW の方法論的基盤と実用的実装を要約する。
• 2016年以降に EPW に追加された新機能とその検証を提示する。
• HPC readiness（高性能計算対応）とエクサスケール・アーキテクチャへのスケーリングについて議論する。
• EPW の今後の開発と応用の方向性を概説する。

提案手法

• DFPT（密度汀素 perturbation theory）を用いて粗 Grid で電子-格子相互作用の行列要素を計算する。
• これらの行列要素を maximally localized Wannier functions（MLWFs）を用いて超高密度 Grid に補間し、Brillouin-zone のサンプリングを効率化する。
• 長距離の双極子・四極子寄与を多极展開とガウスフィルタ付き補間アプローチで polar materials に対して扱う。
• 磁場を含むフォノン制限輸送の ab initio Boltzmann 方程式を解く。
• 異方性 Eliashberg 理論による全帯域の超伝導方程式を解く。
• 大きな超胞を用いずに ab initio ポラロン方程式で小/大ポラロンを計算する。
• 特別変位法を用いた有限温度特性とフォノン支援間接光転換を含める。
• ハイブリッド MPI/OpenMP 並列性と大規模 I/O を備えたコードリファクタリングを行い、エクサスケール対応を目指す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ultra-fine Brillouin zone grid で第一原理の電子-格子相互作用を効率的に計算する方法はどうあるべきか。
• RQ2 MLWF に基づく補間（長距離の極性寄与を含む）は輸送・超伝導・ポラロン・フォノン支援過程の予測をどのように正確に可能にするか。
• RQ3 輸送・超伝導・ポラロン・光学のために EPW が提供する新機能は何か、どのように検証されているか。
• RQ4 EPW をエクサスケールアーキテクチャに備えるにはどうすべきか、スケーリング特性はどうか。

主な発見

• EPW は Boltzmann輸送方程式を介した第一原理輸送特性の総合的なオープンソースパイプラインを提供し、電場・磁場効果を含む。
• EPW には全異方性 Eliashberg 理論を用いて超伝導 Tc とギャップ構造を計算するモジュールが含まれる。
• EPW は大きな超胞を用いずにポラロン計算を実装しており、第一原理からのポラロン研究を可能にする。
• EPW は特別変位法を通じてフォノン支援間接光転換と有限温度光学特性をサポートする。
• 長距離電子-格子相互作用（双極子・四極子項）の拡張扱いにより、 polar materials の Brillouin zone 全体で正確な補間を実現する。
• コードはハイブリッド MPI/OpenMP 並列性と並列 I/O でエクサスケール向けにリファクタリングされ、そのスケーラビリティがベンチマークされている。