推进材料科学：计算代码的新“金标准”-这是号

《自然评论物理学》上的一篇新文章详细介绍了在验证材料科学中使用的固态DFT代码方面取得的重大进展。这项全面的研究扩展了之前的研究，提供了960种材料的基准数据集，有助于改进和测试其他代码。在NCCR MARVEL和aiiDA的支持下，该研究旨在确保未来计算研究的再现性和效率。

NCCR MARVEL的科学家们领导了迄今为止最全面的材料模拟计算机代码验证工作，为他们的同事提供了一个参考数据集和指导方针，以评估和改进现有和未来的代码。

在过去的几十年里，世界各地的物理学家和材料科学家一直忙于开发模拟材料关键特性的计算机代码，现在他们可以从一系列这样的工具中进行选择，使用它们每年发表数万篇科学文章。

理解Density-Functional理论(DFT)

这些代码通常基于密度泛函理论(DFT)，这是一种建模方法，使用几种近似来减少根据量子力学定律计算每个电子行为的令人难以置信的复杂性。不同代码得到的结果之间的差异归结为所做的数值近似，以及这些近似背后的数值参数的选择，通常是为了研究特定类别的材料，或者计算特定应用的关键属性——比如，潜在电池材料的电导率。

AiiDA工作流引擎(其徽标显示在马克杯上)的能力的艺术演绎，无缝地计算材料属性与多个量子力学模拟代码，感谢“AiiDA通用工作流”界面。平板上的图像是本文图4的简化版，其中比较了11种不同计算方法和代码的结果(特别是，该图比较了本文中所有960种材料和化学元素的状态方程参数:平衡体积，体积模量及其导数)。来源:Giovanni Pizzi/NCCR MARVEL

代码验证的挑战

考虑到这些代码的复杂性，很难确保所有代码都没有任何可能的编码错误，或者不会受到过于粗糙的数值近似的影响。但是对于社区来说，验证来自不同代码的结果是否具有可比性、相互一致性和可重复性是至关重要的。

在今天(11月14日)发表在《自然评论物理学》上的一篇新文章中，一大群科学家对固态DFT码进行了迄今为止最全面的验证工作，并为他们的同事提供了评估和改进现有和未来代码的工具和一套指导方针。

这项工作建立在2016年发表在《科学》杂志上的一项研究的基础上，该研究比较了40种计算方法，通过使用每种方法来计算71个晶体的测试集的能量，每个晶体对应于元素周期表上的一个元素，并得出结论，主流代码彼此非常一致。

扩大化学多样性

“这项工作令人放心，但它并没有真正探索到足够的化学多样性，”Giovanni Pizzi说，他是瑞士维利根保罗谢勒研究所PSI材料软件和数据组的负责人，也是这篇新论文的通讯作者。“在这项研究中，我们考虑了96种元素，并为每种元素模拟了10种可能的晶体结构。”

特别是，对于元素周期表的前96个元素中的每一个，他们研究了四种不同的单元体(仅由元素本身的原子组成的晶体)和六种不同的氧化物(也包括氧原子)。结果是960种材料及其特性的数据集，由两个独立的、最先进的DFT代码FLEUR和WIEN2k计算得出。两者都是“全电子”(AE)代码，这意味着它们明确地考虑了所考虑的原子中的所有电子。

代码测试的基准数据集

该数据集现在可以被任何人用作测试其他代码精度的基准，特别是那些基于伪势的代码，与全电子(AE)代码不同，不参与化学键的电子以简化的方式处理，使计算更轻。

Pizzi解释说:“在我们的论文中，我们实际上已经开始改进9个这样的代码，将它们的结果与我们的数据集中的结果进行比较，测量差异，并相应地调整它们的数值参数(如伪势)。”

建议及未来方向

该研究还包括对DFT代码用户的一系列建议，以确保计算研究的可重复性，关于如何使用参考数据集进行未来的验证研究，以及如何将其扩展到包括其他代码族和其他材料属性。

Pizzi说:“我们希望我们的数据集将成为未来几年该领域的参考。”Pizzi是撰写该研究的9位MARVEL研究人员之一，其他三位分别是Marnik Bercx、Kristjan Eimre、Sebastiaan Huber、Matthias Krack、Nicola Marzari、Aliaksandr Yakutovich、Jusong Yu、Austin Zadoks。

支持Computatiof部分rameworks

该研究还通过AiiDA为未来的验证研究提供了一个环境，AiiDA是由国家研究能力中心(NCCR) MARVEL开发的开放获取计算框架，该中心支持这项工作，Pizzi是该中心的项目负责人，以及欧洲卓越中心MaX。Pizzi说:“AiiDA允许我们以相同的方式为11种不同的代码编写相同的指令，例如，计算特定结构的请求。”然后，它可以为你运行计算，并为每个参数选择正确的数值参数。”

Pizzi说，除了用更多的结构扩展参考数据集之外，他希望在未来不仅考虑到不同代码的准确性，还考虑到它们在时间和计算能力方面的昂贵程度，从而帮助科学家找到最具成本效益的计算参数。

参考文献:“如何通过可重复和通用的工作流程验证密度泛函理论实现的精度”，2023年11月14日，自然评论物理。DOI: 10.1038 / s42254 - 023 - 00655 - 3

资助:瑞士国家科学基金会

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