高阶力常数插值方法

高阶力常数插值方法文章详细阐述了力常数和张量在描述原子间相互作用中的角色 包括二阶和三阶力常数的概念 以及晶体对称性如何减少独立力常数的数量

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1.力常数和张量的简单定义

a.张量的简单理解:

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b.原子之间相互作用势能:

相对于原子位移泰勒展开
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c.二阶力常数-两原子之间的相互作用:

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所以,二阶力常数可以用二阶张量表示
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在QE中用四维数组表示
phi(icar,jcar,na,nb),维度分别为(3,3,sN,sN)原子a的i方向和原子b的j方向的值。
(它把原胞拆开了,只看每个原子,不看是哪个原胞中的那个原子)
所以它也可以直接写成二阶张量
phi(icar_a,jcar_b),维度分别为(sN3,sN3)
但是它没这么写是为了程序的清晰,但是最低是二阶张量。

d.3阶力常数-三原子之间的相互作用:

同理3阶力常数最低是3阶张量—–三原子之间的相互作用
phi(icar_a,jcar_b,kcar_c),维度分别为(sN3,sN3,sN3)

常规动力学矩阵中只包含两个原子之间相互作用的力常数信息,不能包含高阶力常数。

e.力常数之间的对称关系-减少独立力常数的数量:

如果不考虑对称关系,三阶力常数总数就是(Ns3)3个,四阶是(Ns3)4

• Permutation(置换)

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三个原子之间的力常数和自变量位置没有关系

• Periodicity(周期性)

由于IFC应该取决于原子间距离,因此它们在以晶格矢量为单位的平移下是不变的,即
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• Crystal symmetry(晶体对称性)

晶体对称操作映射原子𝑟(ℓ𝜅) 到另一个等效原子𝑟(𝐿𝐾) 通过旋转和平移。由于势能在任何晶体对称操作下都是不变的,IFC应该在对称操作下变换如下:
(人话:晶格在对称操作下不变,IFC在对称操作下就不变)
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其中O是对称操作的旋转矩阵,如果Ns是允许的对称操作的数量,那么IFCs之间就有Ns个关系,这一般用来寻找孤立的IFC。
(意味着不需要算全部的IFC只需要算一部分,剩下的用对称操作求一下就可以。)

f.力常数之间的限制条件

由于势能在刚性平移和旋转下是不变的,IFCs可能需要满足相应的约束。
平移不变性由下式给出:
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旋转不变性:
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对于任意组合都成立
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这个公式很复杂,因为n+1阶力常数和n阶力常数相关。
例如,与谐波项相关的旋转不变性的约束可以写为
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考虑三阶力常数时也要考虑它的旋转不变性,这与二阶力常数有关。

未完待续

2阶力常数,动力学矩阵和声子频率的关系

声子频率是动力学矩阵的本征值,只有二阶的时候动力学矩阵是对角化的有这个值。三阶以上动力学矩阵就不是可以对角化的了。

2.力常数计算原理

2.0概况

a.有限位移和DFPT的区别和联系

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b.使用有限位移法的软件:PHONON,PHON, ALAMODE, YPHON, TDEP, and phonopy

c.使用DFPT的软件:QE、Abinit,ELK

d.VASP代码在Γ点实现了这两种方法

e.计算热导率的软件:ALAMODE、TDEP、ShengBTE、almaBTE、PhonTS、和phono3py

f.计算高阶力常数的软件:SCAILD、ALAMODE、TDEP、QSCAILD、SSCHA

g.专门进行力常数计算的软件:ALM和hiPhive

可作为其他高阶力常数计算软件的软件库
一:有效地计算非简谐力常数。
二:计算有限温度下的力常数,引入小位移范围以外的有限原子位移

2.1有限位移方法

2.2密度泛函微扰理论DFPT

3.不同计算软件计算高阶力常数的理论细节

3.1 原理

a.D3Q

b.Phono3py

c.SSCHA

d.alamode

给了三种可以使用的计算高阶力常数的方法:线性回归(最小二乘法),弹性净回归方法,自适应ASSO方法。我只详细看来第一种。

线性回归法

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FDFT:真实原子力,对于每个振动模式
FTED:泰勒展开原子力,(想要几阶就包括几阶)
ΦOLS :最小二乘法计算的高阶力常数
简单来说,就是用DFT计算所有振动模式(三阶就是三阶所有,四阶就是四阶所有)的真实原子力,用泰勒展开原子力拟合,最后得到高阶力常数。
这是很宽泛笼统的公式,实际三阶四阶具体公式应该有更多计算细节。

计算细节:

根据对称独立的IFC集合及其之间满足平移和旋转不变性的约束,我们可以构造一个不可约的IFC集合{Φ𝑖}.让我们将N个IFC的不可约集合的列向量表示为Φ。然后,由方程(1.1)定义的泰勒展开势(TEP)被写成
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弹性净回归方法(Elastic-net regression)

说实话是没太看懂
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自适应LASSO方法

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3.2插值方法-画声子谱

a.DFPT从头算-D3Q

b.DFPT有限位移

c.SSCHA

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