밀도 기능 이론은 시스템 크기에 따라 어떻게 확장됩니까?


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이론적으로, 밀도 함수 이론 (DFT) 계산 시간은 전자 수에 어떻게 비례합니까? O (N) 코드가 아닌 VASP, ABINIT 등과 같은 "일반적인"DFT 구현에 관심이 있습니다.

답변:


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가장 간단한 정답은 DFT가 입니다. 이것은 당신이 궁극적으로 선거 수에 비례하는 차원으로 해밀턴 인을 대각선 화하고 있으며, 대각선 화는 기술적으로 이라는 생각에서 비롯됩니다 .O ( N 3 )영형(엔이자형삼)영형(엔삼)


실제로 DFT는 여러 단계이며 서로 다른 상황에서 다른 단계는 속도 제한적입니다. 우리가 평면파 (PW) DFT (VASP, ABINIT, QE 등)로 자신을 제한하면 더 강력한 진술을 할 수 있습니다. PW DFT 코드에 대해 이해해야 할 중요한 아이디어는 Hamiltonian이 절대 큰 행렬로 저장되지 않는다는 것입니다. 대신, 해밀턴 연산자의 동작은 일반적으로 '사내'반복 사선 화기 (공액 기울기, 데이비슨 등)에서 계산되고 사용됩니다. 이 대각선 는 공식적으로 이며, 여기서 는 Hamiltonian의 동작을 계산하는 비용이지만 더 큰 자체 일관성 알고리즘에서 역할을 고려하면 훨씬 빠르게 수행되는 경향이 있습니다.M V영형(엔이자형미디엄V)미디엄V

Hamiltonian의 동작을 계산하는 과정은 다음 두 단계로 이루어집니다.

  • 실제 공간의 지역 전위에는 FFT,영형(엔Vln⁡엔V)
  • 투영은 실수 또는 g 공간, 또는 에서 각각 발생할 수 있습니다O ( n a n p n v )영형(엔ㅏ엔피)영형(엔ㅏ엔피엔V)
  • 로컬이 아닌 전위는 각각 대각선 또는 블록 대각선, 또는 입니다.O ( n a n 2 p )영형(엔ㅏ엔피)영형(엔ㅏ엔피2)

이 모든 것은 전자 당 한 번 (실제로는 파동 함수) 발생해야하므로 모든 계수를 추가하십시오 .엔이자형

어떤 수단 (예 : Gram-Schmidt)을 통해 파동 함수 (해밀턴의 고유 함수)는 서로 직교하게 유지해야합니다영형(엔이자형2엔V)

마지막으로, 파동 함수는 전자 밀도로 구성되어야합니다. PW 코드에서, 이것은 파동 함수 (및 합) 당 하나의 마지막 FFT, 됩니다.영형(엔이자형엔Vln⁡엔V)

나는 몇 가지에 넣어 한 것을 참고 '의 볼륨 (정말, 그것은 기초 크기가) 관련이 원자 당 프로젝터의 수는, 원자의 수이며, 수를 전자의. 공식적 , 및 모두 직선 서로 (관련된 작은 정수)하지만 (슬래브 / 와이어 형상의 진공 추가) 전자들의 고정 된 수와 체적을 증가 시키거나하여 프로젝터의 수를 증가 상상할 수 고정 된 수의 원자와 전자 (보다 정확한 의사 전위 사용).엔엔V엔피엔ㅏ엔이자형엔V엔ㅏ엔이자형엔피

문제가 FFT로 제한되는 것이 일반적이며,이 경우 문제는 실제로 이며 기술적으로 정확하지 않은 경우 문헌에서 다소 일반적인 대답입니다.영형(엔2ln⁡엔)


완전한 고유 분해가 필요합니까, 아니면 스펙트럼의 작은 부분 만 필요합니까?
— Victor Liu

당신은 필요 고유 함수 (일반적으로 ). 영형(엔이자형)엔이자형/2
— Max Hutchinson

답변 주셔서 감사합니다! 이 문제에 대해 논의했거나 벤치 마크를 수행 한 논문을 추천 할 수 있습니까?
— Max Radin

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G. Kresse, Computational Materials Science 6, 15 (1996)는 VASP의 표준 소개입니다. RM Martin, 전자 구조 : 기본 이론 및 실제 방법 (Cambridge Univ Pr, 2004)은 DFT (평면파 및 기타)에 대한 훌륭한 소개이지만 복잡성에 대해서는 덜 명확합니다.
— Max Hutchinson
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