[论文解读] 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 7

一句话总结

EPW 是一个开源的从头算代码，结合 DFPT 与最大局部Wannier函数，在超精细网格上对电子-声子矩阵元进行内插，从而实现预测性的输运、超导、极化子和声子辅助光学计算；本文回顾了至 EPW v6（2016–2022）的重要发展。

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.

研究动机与目标

• 从第一性原理出发，动机与描述预测性、非经验的电子-声子相互作用计算。
• 概述 EPW 的方法基础与在多种性质上的实际实现。
• 展示自 2016 年以来添加到 EPW 的新功能及其验证。
• 讨论 HPC 的就绪度及对 exascale 架构的扩展性。
• 概述 EPW 发展与应用的未来方向。

提出的方法

• 使用密度泛函微扰理论（DFPT）在粗网格上计算电子-声子矩阵元。
• 将这些矩阵元通过最大局部Wannier函数（MLWFs）在极密网格上内插，以高效进行布里渊区采样。
• 对于极性材料，通过多极展开与高斯滤波内插方法处理远程偶极和四极贡献。
• 求解包含磁场的晶振子限速输运的 ab initio Boltzmann 传输方程。
• 求解各向异性超导的全带 Eliashberg 方程。
• 在不使用大超胞的情况下，用从头计算的 polaron 方程计算小极化子和大极化子。
• 包含声子辅助的间接光学跃迁及有限温度性质的特殊位移法。
• 描述针对混合 MPI/OpenMP 并行及并行 I/O 的代码重构，以适应 exascale 就绪性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在超细布里渊区网格上高效地从第一性原理求解电子-声子相互作用？
• RQ2 基于 MLWF 的内插（包含远程极化贡献）如何实现对输运、超导、极化子和声子辅助过程的准确预测？
• RQ3 EPW 为输运、超导、极化子与光学提供了哪些新功能，如何进行验证？
• RQ4 如何为 exascale 架构做好准备，及其扩展性特征是什么？

主要发现

• EPW 提供了用于从头算输运性质的完整开源管线，通过 Boltzmann 传输方程，包含电场和磁场效应。
• EPW 包含用于使用全各向异性 Eliashberg 理论计算超导临界温度 Tc 与隙结构的模块。
• EPW 实现了无需大超胞的极化子计算，使从头算研究极化子成为可能。
• EPW 支持声子辅助的间接光学跃迁和通过特殊位移法的有限温度光学性质。
• 对长程电子-声子相互作用（偶极与四极项）的扩展处理，在极性材料中实现了对布里渊区的准确内插。
• 代码已为 exascale 架构重构，采用混合 MPI/OpenMP 并行和并行 I/O，其扩展性已进行了基准测试。