PASP铁性材料性质分析与模拟软件正式商用

2006-2023

复旦大学向红军教授/龚新高院士团队十八年苦心孤诣，倾力研发PASP铁性材料性质分析与模拟软件终于正式商用

它擅长处理磁性、铁电性和多铁性体系

它能计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质也能用于分析理解材料性质的微观机制

这是一款独立完整、特色鲜明

具有完全自主知识产权的材料计算软件包

助力材料科学家和研发人员

向高性能材料开发进军

今天我们一起走进这款软件全方位了解PASP的功能与价值

什么是PASP软件

PASP (Property analysis and simulation package for materials) 是一款独立完整、特色鲜明、自主研发的材料计算软件包，尤其擅长处理磁性、铁电性和多铁性（即同时包括多种铁性）体系，可用于计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质，也可用于分析理解材料性质的微观机制。

一方面铁磁和铁电材料已经在信息存储领域应用广泛，另一方面新型磁性、铁电和多铁性材料可能在下一代信息存储和处理领域扮演重要角色，因此对这些材料的研究至关重要。PASP可用于计算模拟这些材料的物理性质，理解其物理机制，并进一步设计和预言高性能材料，是研究这些材料的有效工具。

PASP软件的发展史 01

2006

PASP研发正式启动

02

2006-2007

编写了寻找电荷序基态的蒙特卡洛程序，程序最初命名为Latticemodel。

03

2007-2008

编写了自旋体系的蒙特卡洛程序，可以处理海森堡相互作用、单离子各向异性，并实现了基于副本交换（PTMC）的并行化。

04

2008-2009

编写了预测团簇基态结构的basin-Hopping程序，并首次提出了预测界面基态结构的全局优化方法。

05

2010

编写了预测晶体基态结构的genetic algorithm程序。

06

2011-2013

提出了自旋序诱导铁电性的统一极化模型，发展了计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”，并在程序里实现了这些模型和方法。

07

2011

编写了处理电子的紧束缚模型程序，可处理非磁性和磁性体系（包括非共线自旋体系）。基于该方法可以理解铁电性和多铁性的起源，以及磁相互作用的机制。

08

2014

发展了寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm，可用于基于已知顺电结构预测铁电基态结构；发展了处理磁弹耦合的方法和程序。

09

2014-2015

在有效自旋哈密顿量程序的基础上，编写了处理铁电体系的有效哈密顿量程序，可以处理简单的原子位移局域模式之间的相互作用。

10

2016-2018

利用群论方法，发展了磁性、铁电和多铁体系的通用有效哈密顿量方法和程序。

11

2019

首次提出了预测磁性体系基态量子序的全局优化方法，并发展了相应的程序；编写了计算自旋波色散的程序。

12

2020

提出了构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法，并发展了相应的程序；在有效哈密顿量方法和程序里引入了合金、分子转动等自由度。

13

2021

PASP软件正式命名Property analysis and simulation package for materials，并发表了PASP程序的介绍文章 【1】，PASP软件进入一个新的发展阶段。

14

2022

发展了基于有效哈密顿量的分子动力学方法，包括同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法。

PASP着手准备商业化模式与鸿之微公司合作，深度开发和推广PASP。

15

2023.6

PASP软件正式发布，虽已起航，任重道远。

PASP发展的理论模型和计算方法

计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”【2，3，4】

自旋序诱导铁电性的统一极化模型【5，6，7，8】

同时处理晶格、自旋、合金、分子转动等自由度的通用有效哈密顿量模型和方法【1，9，10，11】

构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法【12，13，14】

同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法

预测团簇和界面基态结构的全局优化方法【15，16】

寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm【17，18】

预测磁性体系基态量子序的全局优化方法【19】

用于理解铁电性和多铁性的起源，以及磁相互作用机制的紧束缚模型【8，20，21】

PASP的功能

PASP软件目前集成了诸多功能，例如对称性分析、有效哈密顿量方法、蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、分子动力学模拟、自旋序诱导铁电极化的计算、紧束缚模型、全局结构搜索方法、线性自旋波方法等。通过将该程序包与VASP等第一性原理计算软件结合使用，可以方便地模拟研究材料（特别是磁性、铁电、多铁性材料）的多种物理性质（如磁转变温度、铁电极化、电滞回线等），以及从微观相互作用的角度研究多种物性的物理机制。

目前PASP软件最常用的功能是一般性有效哈密顿量方法，其中主要涉及有效哈密顿量的构造（包括四态法和构造哈密顿量的机器学习方法）、蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟等模块。在磁性、铁电、多铁、电荷密度波等类型的材料中，涉及自旋、局域声子模式、晶格应变等自由度；在合金材料中，涉及元素种类的自由度；晶体材料中含有有机分子时，还可能涉及有机分子的取向、位移等自由度；此外还可以考虑电荷量、轨道序等自由度。

除了有效哈密顿量方法外，PASP另一主要功能是全局结构搜索。全局结构搜索模块支持遗传算法等方法，可以处理结构自由度和自旋自由度。将PASP的全局结构搜索方法与第一性原理计算相结合，可以预测复杂系统的结构基态和基态量子序。

PASP（包括之前的Latticemodel版本）已被国内外多个研究组采用，并在铁电、磁性研究等方面取得了重要进展【22，23，24，25，26，27，28，29，30】。

PASP的特色

PASP的开发理念是在一个软件包里尽可能包括更多更全的功能，能处理尽可能多的材料体系。为此，PASP包括了完整的对称性群论分析（包括点群、空间群、磁群）模块。基于群论分析，不仅可以构建任何体系的哈密顿量（包括电子哈密顿量和原子层面哈密顿量），而且可以提升量子材料全局结构搜索的效率。PASP的主要功能不受体系结构的限制，原理上可以处理任何体系。

PASP软件计算算例