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范德华密度泛函的高效实现:应用于双层碳纳米管

Efficient implementation of a van der Waals density functional: application to double-wall carbon nanotubes.

作者信息

Román-Pérez Guillermo, Soler José M

机构信息

Departamento de Física de la Materia Condensada, C-III, Universidad Autónoma de Madrid, E-28049 Madrid, Spain.

出版信息

Phys Rev Lett. 2009 Aug 28;103(9):096102. doi: 10.1103/PhysRevLett.103.096102. Epub 2009 Aug 27.

Abstract

We present an efficient implementation of the van der Waals density functional of Dion et al. [Phys. Rev. Lett. 92, 246401 (2004)], which expresses the nonlocal correlation energy as a double spatial integral. We factorize the integration kernel and use fast Fourier transforms to evaluate the self-consistent potential, total energy, and atomic forces, in O(NlogN) operations. The resulting overhead, for medium and large systems, is a small fraction of the total computational cost, representing a dramatic speedup over the O(N(2)) evaluation of the double integral. This opens the realm of first-principles simulations to the large systems of interest in soft matter and biomolecular problems. We apply the method to calculate the binding energies and the barriers for relative translation and rotation in double-wall carbon nanotubes.

摘要

我们展示了迪翁等人[《物理评论快报》92, 246401 (2004)]提出的范德瓦尔斯密度泛函的一种高效实现方式,该泛函将非局部相关能表示为双空间积分。我们对积分核进行因式分解,并使用快速傅里叶变换来评估自洽势、总能量和原子力,操作次数为O(NlogN)。对于中大型系统,由此产生的额外开销仅占总计算成本的一小部分,相较于双积分的O(N²)评估而言,实现了显著加速。这为软物质和生物分子问题中感兴趣的大型系统开启了第一性原理模拟的领域。我们应用该方法来计算双壁碳纳米管中的结合能以及相对平移和旋转的势垒。

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