CP2K

cp2kCP2K ist ein Softwarepaket für Quantenchemie und Festkörperphysik, das atomistische Simulationen von Festkörper-, Flüssig-, Molekular-, Periodensystem-, Material-, Kristall- und biologischen Systemen durchführen kann. CP2K bietet einen allgemeinen Rahmen für verschiedene Modellierungsmethoden wie DFT unter Verwendung der gemischten Gaußschen und ebenen Wellenansätze GPW und GAPW.

Zu den unterstützten Theorieebenen gehören DFTB, LDA, GGA, MP2, RPA, semi-empirische Methoden (AM1, PM3, PM6, RM1, MNDO usw. und klassische Kraftfelder (AMBER, CHARMM usw.)

CP2K kann Simulationen der Molekulardynamik, Metadynamik, Monte Carlo, Ehrenfest-Dynamik, Schwingungsanalyse, Spektroskopie auf Kernebene, Energieminimierung und Übergangszustandsoptimierung mittels NEB- oder Dimer-Methode durchführen.

CP2K wurde in Fortran 2008 geschrieben und kann mit einer Kombination aus Multi-Threading, MPI und CUDA effizient parallel ausgeführt werden. Es ist unter der GPL-Lizenz frei verfügbar. Es ist daher einfach, den Code auszuprobieren und bei Bedarf Änderungen vorzunehmen.

CP2K bietet modernste Methoden für effiziente und genaue atomistische Simulationen. Einige der wichtigsten Bestandteile von CP2K sind Quickstep, FIST und QM/MM.

Features

CP2K ist ein Programm zur Durchführung von Simulationen von Festkörper-, Flüssigkeits-, molekularen und biologischen Systemen. Es zielt insbesondere auf massiv parallele und linear skalierende elektronische Strukturmethoden und hochmoderne ab-initio Molekulardynamik-Simulationen (AIMD) ab.

CP2K ist für die gemischte Gauß- und Plane-Waves (GPW)-Methode auf der Basis von Pseudopotentialen optimiert, kann aber auch vollelektronische oder reine Plane-Wave/Gauß’sche Berechnungen durchführen. Zu den Merkmalen gehören die folgenden.

Ab-initio Methoden der elektronischen Strukturtheorie unter Verwendung des QUICKSTEP-Moduls

  • Energien und Kräfte der Dichtefunktionaltheorie (DFT)
  • Hartree-Fock (HF)-Energien und -Kräfte
  • Moeller-Plesset-Störungstheorie 2. Ordnung (MP2) Energien und Kräfte
  • Energien der zufälligen Phasenannäherung (Random Phase Approximation, RPA)
  • Gasphase oder Periodische Randbedingungen (PBC)
  • Zu den Basissätzen gehören verschiedene Standard-Gauss-Orbitale (GTOs), Pseudo-Potential-Plane-Wellen (PW) und ein gemischter Ansatz mit Gauss- und
  • (erweiterten) Plane-Wellen (GPW/GAPW)
  • PW DFT-Funktionalität (Energie, Kräfte, Spannung), einschließlich LAPW (vollelektronisch)
  • Normkonservierende, trennbare Goedecker-Teter-Hutter (GTH) und nichtlineare kernkorrigierte (NLCC) Pseudopotentiale oder All-Elektronen-Berechnungen
  • Local Density Approximation (LDA) XC-Funktionale einschließlich SVWN3, SVWN5, PW92 und PADE
  • Gradienten-korrigierte (GGA) XC-Funktionalitäten einschließlich BLYP, BP86, PW91, PBE und HCTH120 sowie die Meta-GGA XC-Funktionalität TPSS
  • Hybrid-XC-Funktionale mit exakter Hartree-Fock-Austauschbarkeit (HFX) einschließlich B3LYP, PBE0 und MCY3
  • Doppel-Hybrid-XC-Funktionalitäten einschließlich B2PLYP und B2GPPLYP
  • Zusätzliche XC-Funktionalitäten über LibXC
  • Dispersionskorrekturen über DFT-D2- und DFT-D3-Paarpotentialmodelle
  • Nicht-lokale van der Waals-Korrekturen für XC-Funktionale einschließlich B88-vdW, PBE-vdW und B97X-D
  • DFT+U (Hubbard)-Korrektur
  • Dichteanpassung für DFT über Bloechl- oder DDAPC-Ladungen (Density Derived Atomic Point Charges), für HFX über Auxiliary Density Matrix Methods
  • (ADMM) und für MP2/RPA über Resolution-of-identity (RI)
  • Sparse-Matrix- und Pre-Screening-Techniken für linear skalierende Kohn-Sham (KS)-Matrix-Berechnung
  • Minimierer der orbitalen Transformation (OT) oder der direkten Umkehrung des selbstkonsistenten Feldes des iterativen Unterraums (DIIS) (SCF)
  • Lokales Resolution-of-Identity-Projektor-Augmented-Wave-Verfahren (LRIGPW)
  • Absolut lokalisierte molekulare Orbitale SCF-Energien (ALMO-SCF) zur linearen Skalierung molekularer Systeme
  • Angeregte Zustände mittels zeitabhängiger Dichte-funktionaler Störungstheorie (TDDFPT)

Ab-initio Molekulare Dynamik

  • Born-Oppenheimer Molekulare Dynamik (BOMD)
  • Ehrenfest Molekulare Dynamik (EMD)
  • PS-Extrapolation der anfänglichen Wellenfunktion
  • Zeitreversibler, immer stabiler Prädiktor-Korrektor-Integrator (ASPC)
  • Ungefähres Car-Parrinello wie Langevin Born-Oppenheimer Molekulardynamik (Car-Parrinello-Molekulardynamik der zweiten Generation)

Gemischte quanten-klassische (QM/MM) Simulationen

  • Realraum-Mehrgitteransatz für die Bewertung der Coulomb-Interaktionen zwischen dem QM- und dem MM-Teil
  • Behandlung der elektrostatischen Kopplung mit linearer Skalierung von periodischen Randbedingungen
  • Anpassungsfähiges QM/MM

Weitere Features

  • Einzelpunktenergien, Geometrieoptimierungen und Frequenzberechnungen
  • Mehrere stosselastische Band (NEB)-Algorithmen (B-NEB, IT-NEB, CI-NEB, D-NEB) für Berechnungen des minimalen Energiepfades (MEP)
  • Globale Optimierung von Geometrien
  • Solvatisierung über das Self-Consistent Continuum Solvation (SCCS)-Modell
  • Semi-empirische Berechnungen einschließlich der Parametrisierungen AM1, RM1, PM3, MNDO, MNDO-d, PNNL und PM6, Dichte-funktionale enge Bindung
  • (DFTB) und selbstkonsistente Polarisierung enge Bindung (SCP-TB), mit oder ohne periodische Randbedingungen
  • Klassische Molekulardynamik-Simulationen (MD) in mikrokanonischem Ensemble (NVE) oder kanonischem Ensemble (NVT) mit Nose-Hover und kanonischer
  • Abtastung durch CSVR-Thermostate (CSVR = velocity rescaling)
  • Metadynamik einschließlich wohltemperierter Metadynamik für Berechnungen der Freien Energie
  • Klassische Kraft-Feld (MM)-Simulationen
  • Monte-Carlo (MC) KS-DFT-Simulationen
  • Statische (z.B. Spektren) und dynamische (z.B. Diffusion) Eigenschaften
  • ATOM-Code für die Pseudopotentialgenerierung
  • Integrierte molekulare Basismengenoptimierung

CP2K implementiert keine konventionelle Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD).

Download

CP2K Download unter https://www.cp2k.org/download

Tutorial & Manual

Anleitungen in englischer Sprache finden sich unter https://www.cp2k.org/howto