最大化局部化的Wannier函数的元优化

《npj Computational Materials》：Meta-optimization of maximally-localized Wannier functions

　　

摘要

最大局部化的Wannier函数是一种类似原子轨道的量子波函数，用于描述凝聚态物质中的电子¹。自1997年引入以来²，这些函数在从头算材料模拟中得到了广泛应用，包括在线性缩放方法³、强关联电子系统⁴、量子传输⁵、电子-声子相互作用⁶和拓扑材料⁷等领域。尽管Wannier函数已在广泛的软件生态系统中得到普及⁸，但在存在纠缠能带的情况下，其潜力尚未得到充分发挥，因为它们的优化过程仍然具有挑战性且需要大量计算资源。在这里，我们提出了一种通用的元优化方法，该方法利用工作流抽象和机器学习技术（如差分进化算法和贝叶斯优化）在无需人工干预的情况下生成全局最优化的Wannier函数。我们通过三个应用实例来展示这种方法：(i) 从粗糙的布里渊区网格出发，自动插值得到具有毫电子伏特级别精度的纠缠能带结构；(ii) 通过使用最小粗糙度的布里渊区网格，将完全从头算的玻尔兹曼传输计算速度提高数千倍；(iii) 对大型材料库进行超快的高精度Wannier函数计算。这项工作使得原本需要超级计算机的计算任务能够通过个人计算机来实现。