gipaw&–&linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& ·...

23
GIPAW – Linear response in the presence of magne7c fields Uwe Gerstmann University of Paderborn, Germany Trieste, January 18 – 21, 2016 QE developers’ mee7ng Linear Response Davide Ceresoli Emine Kucukbenli Ari Parvo Seitsonen Originally aimed to calculate NMR chemical shiBs, later also the EPR electronic gtensor, ... Standard version: qe-gipaw-5.3.tar @ qeforge

Upload: others

Post on 05-Sep-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

GIPAW  –  Linear  response    in  the  presence  of  magne7c  fields  

Uwe    Gerstmann    University  of  Paderborn,  Germany  

   

Trieste,  January  18  –  21,  2016  

QE  developers’  mee7ng  Linear  Response  

                                                                                                                                     Davide  Ceresoli                                                                                                Emine  Kucukbenli                                                                                              Ari  Parvo  Seitsonen    

           Originally  aimed  to  calculate  NMR  chemical  shiBs,            later  also  the  EPR  electronic    g-­‐tensor,  ...  

                                 Standard  version:        qe-gipaw-5.3.tar @  qe-­‐forge                                        

Page 2: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Uwe    Gerstmann    University  of  Paderborn,  Germany  

   

Trieste,  January  18  –  21,  2016  

QE  developers’  mee7ng  Linear  Response  

                                                                                                                                     Davide  Ceresoli                                                                                                Emine  Kucukbenli                                                                                              Ari  Parvo  Seitsonen    

           Originally  aimed  to  calculate  NMR  chemical  shiBs,            later  also  the  EPR  electronic    g-­‐tensor,  ...  

                                 Standard  version:        qe-gipaw-5.3.tar @  qe-­‐forge                                        

GIPAW  –  Linear  Magne7c  Response      

Page 3: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Trieste,  January  18  –  21,  2016  

QE  developers’  mee7ng  Linear  Response  

   

Originally  aimed  to  calculate  NMR  chemical  shiBs,  later  also  the  EPR  electronic    g-­‐tensor,...  

 GIPAW  rouOnes/pseudopoten7als    are  also  used    for  

                                           -­‐  X-­‐ray  spectra  (Xspectra):  XANES,  (XMCD)  

                                           -­‐  orbital  magneOzaOon,  converse  NMR-­‐approach  

                                           -­‐  SOC  including  two  component  noncolinear                                                scheme  using  scalar-­‐relaOvisOc  GIPAW  pseudos        

GIPAW  –  Linear  Magne7c  Response      

Page 4: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

   EssenOal:                  B-­‐field  brings  the  phase  of  the  wfc  into  play                                                          (to  insure  translaOonal  invariance  within  PBC)    The  PAW  augmentaOon  scheme  has  to  be  extended  in  a  Gauge  Including  way:        à        GIPAW      

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  

Page 5: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Basic  quan7ty  for  NMR  (EPR):  (spin)  currents  induced  by  the  B-­‐field                

           à    Green‘s  funcOon  required          

spin-­‐currents  

EPR:  

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Page 6: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Basic  quan7ty  for  NMR  (EPR):  (spin)  currents  induced  by  the  B-­‐field                

           à    Green‘s  funcOon  required          

spin-­‐currents  

EPR:  

NMR:            Bind(r‘)    =      ...                                          ...      |r‘-­‐  r|3  

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

   r‘-­‐  r  

Page 7: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Central  rou7ne:    greenfunction.f90

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Green‘s  funcOon@k+q  to  be  applied  on  a  modified  version  of  the  unperturbed  wfc:   Gk+q  |psi  >  = Gk+q  {  Vk+q,k|evc>};                      q  =  {0,  ±  Δq  ei    with    i=x,y,z}    Similar  to solve_linter.f90 in  PH,    it  calls            cgsolve_all.f90      iteraOve  solver  of  linear  systems                            cg_psi.f90  for  (simple)  precondiOoning  (via  diagonals  of  H),                            ch_psi_all.f90  for  applicaOon  of  H-­‐eS+P_cv                                      orthogonalize.f90 for  compuOng  P_cv  

                     (  h_psi_q.f90  for  BAND  parallelzaOon  only;                                                                                      otherwize:    h_psi, calbec, s_psi )  

Page 8: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Central  rou7ne:    greenfunction.f90

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Green‘s  funcOon@k+q  to  be  applied  on  a  modified  version  of  the  unperturbed  wfc:   Gk+q  |psi  >  = Gk+q  {  Vk+q,k|evc>};                      q  =  {0,  ±  Δq  ei    with    i=x,y,z}    Similar  to solve_linter.f90 in  PH,    it  calls            cgsolve_all.f90      iteraOve  solver  of  linear  systems                            cg_psi.f90  for  (simple)  precondiOoning  (via  diagonals  of  H),                            ch_psi_all.f90  for  applicaOon  of  H-­‐eS+P_cv                                      orthogonalize.f90 for  compuOng  P_cv    

                     (  h_psi_q.f90  for  BAND  parallelzaOon  only;                                                                                      instead:        h_psi, calbec, s_psi )        

Page 9: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Central  rou7ne:    greenfunction.f90

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Gk+q  |psi  >  = Gk+q  {  Vk+q,k|evc>};                      q  =  {0,  ±  Δq  ei    with    i=x,y,z}      in  addiOon:  apply_operators.f90    ,  e.g.  apply  Vk+q,k    to  rhs   compute_u_kq.f90    prepares  unperturbed  wfc@k+q      

NEW:  Speed-­‐up  for  small  Δq:                                                      resuse    Gk+q  |psi  >  from  previous  q,                                                  ch_psi.f90  only  for  q=0.    Includes  all  things  for  precondiOoning,  e.g.  also    small  parts  from  phq_init.f90: eprec = 1.35*zdotc(evq,work)

 

Page 10: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Central  rou7ne:    greenfunction.f90

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Gk+q  |psi  >  = Gk+q  {  Vk+q,k|evc>};                      q  =  {0,  ±  Δq  ei    with    i=x,y,z}  

in  addiOon:  apply_operators.f90    ,  e.g.  apply  Vk+q,k    to  rhs  

compute_u_kq.f90    prepares  unperturbed  wfc@k+q      

Specific  topics:  

         -­‐    quanOOes  at  k  and  k+q  must  have  the  same  G-­‐vector  ordering;                  we  call  gk_sort  only  for  k,  not  for  k+q.  

         -­‐    symmetry  operaOons  that  do  not  map  cartesian  axes                    might  be  –  in  principle  –  removed  (as  done  in  5.3.0),  but:                  NEW:  it  works  also  with  full  symmetry,  if  symmetrizaOon  is  applied                                        at  the  very  end  (onto  the  full  tensors)  excusively.                                                        

Page 11: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

LR  related  rou7nes    (as  a  general  observa6on):  

                                   LR  in  GIPAW  has  very  few  dependencies,                                      can  be  easily  decoupled  from  the  code,  and                                        can  be  „librarized“  away  (into  LR_Modules).        As  my  present  personal  opinion:       greenfunction.f90 (or  something  like  that)              should  be  either  kept  GIPAW-­‐specific  or          solve_linter.f90  should  be  reorganized,  split-­‐up                                                              into  less  PH-specific  logical  subrouOnes,                                                              may  be  all  of  them  kept  within  the  same  file.  

interface  between  GIPAW/LR_Modules  can  be  changed  accordingly.  

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

Page 12: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Open  Ques7on  (loosely  related  to  LR):

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

-­‐  Zero-­‐Field  Spliqng  (ZFS)  of  EPR,  both  DS-­‐S  and  DSO!      -­‐  NMR/EPR  for  hybrid  funcOonals  -­‐  NMR  with  spin-­‐orbit  coupling,    colinear  &  non-­‐colinear                                                based  on  relaOvisOc  &  scalar  relaOvisOc  (GI)PAW  pseudos  -­‐  Circular  Dichroism  of  X-­‐ray  AdsorpOon  (XMCD)      (Mateo  Calandra,  UG)      

Work  in  progress,  perspec7ves:

-­‐  Where  to  put  the  Berry-­‐phase  rouOnes  applicable  onto  NMR/EPR,            GIPAW-­‐tree  or  (parOally)  PW-­‐core?    -­‐  orbital  magneOzaOon  as  a  more  general  quanOty              (MTM  analogue  to  MTM,  suggesOng  PW),  but              to  compute  accurate  du/dk:      greenfunction.f90  

Proposal:  keep  it  close  to    “NMR/EPR“,                                        should  be  found  in  GIPAW,  e.g.:      

Page 13: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Thanks  for  your  aZen7on!  

QE  Developers’  MeeOng,  Trieste,  January  18  –  21,  2016  

GIPAW-­‐  Linear  Magne7c  Response  

Page 14: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$
Page 15: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

2nd  method:  beyond  perturba7on  theory  Orbita

l  magne

7za7

on  

EPR  

htp://www.quantum-­‐espresso.org  

Page 16: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

2nd  method:  beyond  perturba7on  theory  Orbita

l  magne

7za7

on  

EPR  

htp://www.quantum-­‐espresso.org  

Page 17: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Both  methods  are  now  applicable  also  on  metallic  systems,  e.g.  electrons    trapped  by  the  conducOon  band  minimum  in    Si  bulk:  

Strongly  delocalized  states:  conducOon  band  electrons  in  Si:          gexp        =  1.9995    cc  unit  cell  (2  atoms),  (24  ×  24  ×  24)  MP  k-­‐point  set:                  gDFT  1  =  1.9991                    (Berry  phase)                                                

                                                     gDFT  2  =  1.9990              (non-­‐eq.  GIPAW)                                                                                                                                      

Young  et  al.,  PRB  55,  16245  (1997)  

Calcula7ng  the  g-­‐tensor  –  two  different  methods      

Page 18: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Efficient relativistic DFT calculations

18  

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

M K K M

EF

E [e

V]

scalar-rel.

scalar-­‐rela/vis/c  pseudopoten/als:    -­‐  RelaOvisOc  kineOc  energy  -­‐  spin-­‐orbit  (SO)  coupling  neglected        

Bi(111)  bilayer  

Page 19: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Efficient relativistic DFT calculations

19  

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

M K K M

EF

E [e

V]

full-rel.

scalar-rel.

scalar-­‐rela/vis/c  pseudopoten/als:    -­‐  RelaOvisOc  kineOc  energy  -­‐  spin-­‐orbit  (SO)  coupling  neglected      full-­‐rela7vis7c  approach:    large  SO  coupling  effects,  but:  factor-­‐of-­‐40  more  computaOonal  costs      

Bi(111)  bilayer  

Page 20: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Efficient relativistic DFT calculations

20  

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

M K K M

EF

E [e

V]

full-rel.

Pauliscalar-rel.

scalar-­‐rela/vis/c  pseudopoten/als:    -­‐  RelaOvisOc  kineOc  energy  -­‐  spin-­‐orbit  (SO)  coupling  neglected      alterna7ve  rela7vis7c  approach:    PAW-­‐reconstruc7on  of  SO  coupling    

Bi(111)  bilayer  

Page 21: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Efficient relativistic DFT calculations

21  

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

M ! K M

EF

E [

eV]

full-rel.ZORA

Pauliscalar-rel.

scalar-­‐rela/vis/c  pseudopoten/als:    -­‐  RelaOvisOc  kineOc  energy  -­‐  spin-­‐orbit  (SO)  coupling  neglected      alterna7ve  rela7vis7c  approach:    PAW-­‐reconstruc7on  of  SO  coupling  

ZORA:  

Bi(111)  bilayer  

Page 22: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

Efficient relativistic DFT calculations

22  

scalar-­‐rela/vis/c  pseudopoten/als:    -­‐  RelaOvisOc  kineOc  energy  -­‐  spin-­‐orbit  (SO)  coupling  neglected      alterna7ve  rela7vis7c  approach:    PAW-­‐reconstruc7on  of  SO  coupling    

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

M ! K M

EF

E [

eV]

full-rel.ZORA

Pauliscalar-rel.

   

    iden7cal  results  !  

Bi(111)  bilayer  

Page 23: GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& · GIPAW&–&Linear&response&& inthe& presenceof magnec &fields& Uwe$ Gerstmann$ $University$of$Paderborn,$Germany$

23  

 efficient  „reconstruc6on-­‐only“  approach:          

No  -­‐k  à  k  scatering  @  impurity  site  

rela7vis7c  calcula7ons  for  large  systems  (500  atoms)  possible:  

Efficient relativistic DFT calculations