[논문 리뷰] Electron-phonon physics from first principles using the EPW code

Hyungjun Lee, Samuel Poncé외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 16.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

EPW는 DFPT와 최대 로컬화 Wannier 함수들을 결합하여 초미세 격자에서 전자-포논 행렬 요소를 보간하는 오픈 소스 ab initio 코드로, 예측적 수송, 초전도, 폴리온, 포논 보조 광학 계산을 가능하게 한다; 이 논문은 EPW v6(2016–2022)까지의 중요한 발전을 다룬다.

ABSTRACT

EPW is an open-source software for $ extit{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 $ extit{ab initio}$ Boltzmann transport equation; a superconductivity module for the calculation of critical temperature and gap structure in phonon-mediated superconductors within the $ extit{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 $ extit{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.

연구 동기 및 목표

• 일차 원리에서 전자-포논 상호작용의 예측적이고 비경험적 계산을 동기 부여하고 기술한다.
• 다양한 특성에 대한 EPW의 방법론적 기초와 실용적 구현을 요약한다.
• 2016년 이후 EPW에 추가된 새로운 기능과 그 검증을 제시한다.
• 엑사스케일 아키텍처에 대한 HPC 준비 및 확장성을 논의한다.
• EPW 개발 및 응용의 향후 방향을 개략적으로 제시한다.

제안 방법

• 밀도범함 perturbation 이론(DFPT)을 사용하여 거친 격자에서 전자-포논 행렬 요소를 계산한다.
• 이 행렬 요소를 최대 로컬화 Wannier 함수(MLWFs)를 이용해 초밀도 격자로 보간하여 브릴루앙 구역 샘플링을 효과적으로 수행한다.
• 다극 확장과 가우시안 필터링 보간 접근법을 이용해 극성 재료에서 긴 범위의 dipole 및 quadrupole 기여를 처리한다.
• 자기장이 있는 경우를 포함한 포논-제한 수송에 대해 ab initio 볼츠만 수송 방정식을 해결한다.
• 비등방성 초전도성을 위한 전체 밴드 Eliashberg 방정식을 해결한다.
• 큰 초셀 없이 ab initio 폴로론 방정식을 사용해 작은 폴로론을 계산한다.
• 특수 변位 방법을 통한 유한 온도 특성 및 포논 보조 간접 광학 전이를 포함한다.
• 엑사스케일 준비를 위한 하이브리드 MPI/OpenMP 병렬화 및 병렬 입출력으로의 코드 리팩토링을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초정밀 브릴루앙 구역 격자에서 1차 원리 전자-포논 상호작용을 어떻게 효율적으로 계산할 수 있는가?
• RQ2 MLWF 기반 보간과 긴 거리 극성 기여를 포함하여 전송, 초전도, 폴리온, 포논 보조 과정을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 EPW가 전송, 초전도, 폴리온, 광학에 대해 어떤 새로운 기능을 제공하고 그것들이 어떻게 검증되는가?
• RQ4 EPW를 엑사스케일 아키텍처에 맞춰 어떤 준비를 해야 하며 스케일링 특성은 어떠한가?

주요 결과

• EPW는 볼츠만 수송 방정식을 통한 ab initio 수송 특성의 포괄적 오픈 소스 파이프라인을 제공하며, 전기장 및 자기장 효과를 포함한다.
• EPW에는 전체 이방성 Eliashberg 이론을 사용하여 Tc 및 갭 구조를 계산하는 모듈이 포함된다.
• EPW는 큰 초셀 없이 폴로론 계산을 구현하여 1차 원리에서 폴로론 연구를 가능하게 한다.
• EPW는 특수 위치(displacement) 방법을 통해 포논 보조 간접 광학 전이 및 유한 온도 광학 특성을 지원한다.
• 긴 거리 전자-포논 상호작용( dipole 및 quadrupole 항)을 확장적으로 처리하면 극성 재료에서 브릴루앙 구역 전체에 걸친 정확한 보간이 가능하다.
• 하이브리드 MPI/OpenMP 병렬화 및 병렬 I/O를 갖춘 엑사스케일 아키텍처에 대한 코드 리팩토링이 이루어졌고 그 확장성도 벤치마크 되었다.