跳转至

1.6 共享输入、约定与证据

1.6.1 完整共享输入与分析模板

1.6.1.1 输入块 1

&GLOBAL
  PROJECT water_A
  RUN_TYPE ENERGY_FORCE
  PRINT_LEVEL MEDIUM
  PREFERRED_FFT_LIBRARY FFTSG
&END GLOBAL
&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME BASIS_MOLOPT
    POTENTIAL_FILE_NAME GTH_POTENTIALS
    CHARGE 0
    MULTIPLICITY 1
    &QS
      METHOD GPW
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
    &END QS
    &MGRID
      CUTOFF [Ry] 500
      REL_CUTOFF [Ry] 60
      NGRIDS 4
    &END MGRID
    &SCF
      SCF_GUESS ATOMIC
      EPS_SCF 1.0E-7
      MAX_SCF 150
      &OT
        MINIMIZER CG
        PRECONDITIONER FULL_ALL
      &END OT
    &END SCF
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      POISSON_SOLVER WAVELET
    &END POISSON
    &XC
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC [angstrom] 16.0 16.0 16.0
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &COORD
      UNIT angstrom
      O 8.000000 8.000000 8.000000
      H 8.980000 8.000000 8.000000
      H 7.750000 8.950000 8.000000
    &END COORD
    &KIND O
      ELEMENT O
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &KIND H
      ELEMENT H
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

1.6.1.2 输入块 2

&SUBSYS
  &CELL
    ABC [angstrom] 5.43 5.43 5.43
    PERIODIC XYZ
  &END CELL
  &COORD
    SCALED T
    Si 0.00 0.00 0.00
    Si 0.00 0.50 0.50
    Si 0.50 0.00 0.50
    Si 0.50 0.50 0.00
    Si 0.25 0.25 0.25
    Si 0.25 0.75 0.75
    Si 0.75 0.25 0.75
    Si 0.75 0.75 0.25
  &END COORD
  &KIND Si
    ELEMENT Si
    BASIS_SET DZVP-MOLOPT-SR-GTH
    POTENTIAL GTH-PBE-q4
  &END KIND
&END SUBSYS

1.6.2 约定与学习证据

1.6.2.1 从电子结构到分子动力学

本课程为 quantumchemistry.net 原创双语课程。教学基准采用 CP2K 2025.2，尽可能引用该版本的输入手册。本课程提供实验设计，不声称已经完成数值计算。输入数值是开展收敛测试的起点，不是已获得的能量、光谱、优化结构、扩散系数或自由能垒。用于科研之前，请先阅读每个案例的适用范围与验证要求。

  1. Foundations 基础：01 installation and provenance; 02 first energy and force; 03 Gaussian basis and GTH potential; 04 GPW versus GAPW.
  2. Molecules and crystals 分子与晶体：05 isolated boundary conditions; 06 spin and atomic references; 07 molecular energy differences; 08 crystalline silicon.
  3. Numerical reliability 数值可靠性：09 CUTOFF and REL_CUTOFF; 10 orbital transformation; 11 diagonalization and metal occupations; 12 Brillouin-zone sampling.
  4. Structures and interactions 结构与相互作用：13 geometry optimization; 14 cell optimization and equation of state; 15 dispersion and noncovalent scans; 16 counterpoise and basis-set superposition.
  5. Interfaces and solutions 界面与溶液：17 neutral slab; 18 liquid-water preparation; 19 explicit solvation; 20 adsorption energy bookkeeping.
  6. Molecular dynamics 分子动力学：21 NVE stability; 22 NVT and NpT; 23 restart continuity; 24 RDF and diffusion.
  7. Molecular response 分子响应：25 vibrations; 26 dipole dynamics and IR; 27 linear-response TDDFT; 28 hybrids and ADMM.
  8. Advanced workflows 高级工作流：29 metadynamics; 30 restrained free energy; 31 QM/MM; 32 performance and reproducibility.

1.6.2.2 如何使用本课程

每个案例包括物理直觉、先修条件、输入或明确位置的修改片段、操作流程、结果解释、检查、练习及原创示意图设计。修改片段不是完整输入：请替换经过验证的基础输入中指定的段落，不要在文件末尾简单追加重复段落。标注“示意”的内容用于说明科学决策或缺少的模型文件，不能原样提交。图示应根据规格重新绘制，不得复制来源中的图。双语页面可分别使用英文或中文标签，避免将两种语言挤进同一张小图。

每次计算单独建目录，保留输入、坐标、数据文件校验值、可执行程序版本、标准输出、错误输出及分析脚本。先确定目标物理量，再确定容差：用于粗略能量排序的截断未必适合应力或数值 Hessian。数值表示的收敛不等于交换关联泛函足够准确。输出中的原子单位必须主动换算；常见能量与力分别以 Hartree 和 Hartree/bohr 给出，本课程明确给出的坐标除注明外为埃。应根据输出标题确认单位，不能凭经验猜测。

1.6.2.3 基础输入 A：孤立水分子

该完整教学输入采用位于盒子中部、刻意未优化的水分子，以及立方非周期盒子。WAVELET 泊松求解器需要构建时支持并满足晶胞要求；若不可用，应选择该构建支持的孤立体系求解器，重新检查盒子收敛，不能悄悄换成周期静电。本 WAVELET 基础输入按 2025.2 手册要求在 GLOBAL 显式选择 PREFERRED_FFT_LIBRARY FFTSG。程序必须能找到安装附带的 BASIS_MOLOPT 与 GTH_POTENTIALS 文件；这些是本地数据文件名，不会自动从网络下载。

参见上方输入块 1。

1.6.2.4 基础输入 B：硅常规晶胞

构建 B 时，用下面的段落替换 A 的 SUBSYS，把 POISSON 改为 PERIODIC XYZ 和 POISSON_SOLVER PERIODIC，并将 PROJECT 改为 silicon_B。保留 PBE、GPW 及初始网格。对如此小的晶胞，仅用 Gamma 点只是教学起点，不代表布里渊区积分已经收敛。案例 12 给出对角化与 k 点路线。晶格常数是输入猜测值，不是本课程计算得到的平衡晶格常数。

参见上方输入块 2。

1.6.2.5 课程考核与可复现性清单

1.6.2.6 综合实践

选择一个范围明确的问题：水二聚体相互作用曲线、硅的平衡体积，或液态水的一项结构量。写输入前先说明物理模型，包括电荷／自旋、成分、边界、交换关联、色散、轨道基组、赝势与参考约定。声明目标量及有意义的单位和精度。误差预算应区分基组、网格、SCF 与采样；动力学还需区分积分误差和统计误差。合格报告可以得出轨迹太短或模型不足的结论，这比未经检验却小数很多的数字更可靠。

提交实际输入及模型文件、软件数据来源、包括失败尝试的运行表、分析代码和带不确定性的结论。图中应明确区分实测数据与概念示意；坐标轴有单位，图例及归一化定义完整。比较时说明固定项与变量，并至少给出一个独立验证：数值力、状态方程交叉验证、重启连续性，或用已知人工构型测试分析程序。尚未执行的测试不能打勾。

1.6.2.7 实用运行前核查

  • 首个 SCF 前核对原子、元素、电荷及显式电子数。
  • EN: Confirm every coordinate KIND resolves to the intended element, basis and potential. ZH：每个坐标标签都应解析到正确元素、基组与势。
  • EN: Verify both CELL and POISSON periodicity; check the solver's supported dimensions. ZH：同时检查晶胞与泊松周期性及求解器支持维度。
  • EN: Read exact units for each edited keyword and each extracted output. ZH：逐项核对修改参数及提取输出的单位。
  • EN: Keep data-file versions and hashes with the calculation. ZH：保存数据文件版本及校验值。
  • EN: Define what “converged” means for the requested observable, not merely the SCF residual. ZH：按目标物理量定义收敛，不只看电子残差。
  • EN: Separate input syntax validation, numerical validation and physical validation. ZH：区分语法验证、数值验证和物理验证。
  • EN: Inspect checkpoints and restart precedence before a long queue submission. ZH：长作业提交前验证检查点及重启优先级。
  • EN: Retain a recoverable original when transforming coordinates or restarting. ZH：转换坐标或续算时保留可恢复原件。
  • EN: Record every external tool and conversion step. ZH：记录所有外部工具和格式转换步骤。

1.6.2.8 不应混淆的概念

SCF 收敛表示电子驻点达到阈值；基组收敛改善表示完备性；k 点收敛改善周期积分；结构收敛寻找核坐标驻点；平衡化去除初始过渡；采样收敛要求足够独立信息来估计系综均值。任一项都不自动证明其余项。同样，总电子能、冻结相互作用能、含形变的结合能、焓与自由能也不可混称，应写出方程而不只给名称。