平面波DFT也能训哈密顿量:换用投影度筛选本征态,钠的五相误差压到1–3 meV
核心概要
把平面波DFT的哈密顿量转成原子轨道形式时,改用投影度筛选本征态来补全子空间,不再依赖经验平移;在钠的五种高压相上,每原子13个轨道函数的误差为1–3 meV,而实空间重建用23个函数仍为12–28 meV。
深度剖析
平面波密度泛函理论(DFT)算出的电子结构,现在可以转成紧凑的原子轨道哈密顿量,并直接当作等变神经网络的训练目标。 此前的转换路线是在实空间重建原子轨道矩阵元,其公式只包含动能、局域有效势和非局域赝势三项,不含杂化泛函的精确交换和DFT+U的Hubbard修正。 在单层二硫化钼上,用较小的Mo:2s1p1d、S:1s1p基组构造的哈密顿量,其PBE与HSE能带比用较大Mo:3s2p2d、S:3s2p1d基组的实空间重建更贴近平面波参考,后者的偏差主要出现在导带。
做法是只保留在原子轨道基里表示得好的平面波本征态,再用选出的高能态把原子轨道子空间补满。 投影度衡量一个平面波本征态能被原子轨道基表示的程度,取值0到1,接近1表示表示得准;此前的方法会滤掉低投影度态,再给补空间加一个经验平移能量。 在bcc、fcc、cI16、oP8和hP4五种钠相上,每原子13个轨道函数的能带平均绝对误差为1、3、1、1、1 meV,而每原子23个函数的实空间重建为12、26、14、18、28 meV。
这样得到的哈密顿量可以训练等变图神经网络,从原子结构直接预测哈密顿量,省去重复的自洽平面波计算。 训练集只包含1,150个非扭转双层二硫化钼构型,涵盖不同堆垛、层间滑移和随机原子位移,不含任何扭转结构。 在21.79度、42原子的扭转双层二硫化钼上,用该构造训练的模型在2到2.8 eV窗口的能带平均绝对误差为7.71 meV,实空间重建训练的模型为16.15 meV。
启示与展望
该构造面向需要从平面波DFT参考计算生成原子轨道哈密顿量训练目标的研究者,适用于半局域与杂化泛函计算,并在单层二硫化钼、五种高压钠相、铝表面 slab 和含氧空位氧化镁上做了能带、态密度与光学响应对照。构造精度取决于原子轨道基对所选平面波本征态的表示能力,投影度可作为诊断指标来指导扩大基组或优化径向函数。
构造本身不呈现线性标度:在6到96原子的二硫化钼超胞上比同基组实空间重建快2.11到3.37倍,但到216原子时两者分别为301.10秒和290.20秒,优势不再保持。避免经验平移只去掉了构造中的一个任意元素,并不能单独保证神经网络对未见结构的预测精度,这需要另行验证。
