2006-2023

復旦大學向紅軍教授/龔新高院士團隊十八年苦心孤詣，傾力研發PASP鐵性材料性質分析與模擬軟件終于正式商用

它擅長處理磁性、鐵電性和多鐵性體系

它能計算模擬材料的基態、熱力學和動力學性質也能用于分析理解材料性質的微觀機制

這是一款獨立完整、特色鮮明

具有完全自主知識產權的材料計算軟件包

助力材料科學家和研發人員

向高性能材料開發進軍

今天我們一起走進這款軟件全方位了解PASP的功能與價值

什么是PASP軟件

PASP (Property analysis and simulation package for materials) 是一款獨立完整、特色鮮明、自主研發的材料計算軟件包，尤其擅長處理磁性、鐵電性和多鐵性（即同時包括多種鐵性）體系，可用于計算模擬材料的基態、熱力學和動力學性質，也可用于分析理解材料性質的微觀機制。

一方面鐵磁和鐵電材料已經在信息存儲領域應用廣泛，另一方面新型磁性、鐵電和多鐵性材料可能在下一代信息存儲和處理領域扮演重要角色，因此對這些材料的研究至關重要。PASP可用于計算模擬這些材料的物理性質，理解其物理機制，并進一步設計和預言高性能材料，是研究這些材料的有效工具。

PASP軟件的發展史 01

2006

PASP研發正式啟動

02

2006-2007

編寫了尋找電荷序基態的蒙特卡洛程序，程序最初命名為Latticemodel。

03

2007-2008

編寫了自旋體系的蒙特卡洛程序，可以處理海森堡相互作用、單離子各向異性，并實現了基于副本交換（PTMC）的并行化。

04

2008-2009

編寫了預測團簇基態結構的basin-Hopping程序，并首次提出了預測界面基態結構的全局優化方法。

05

2010

編寫了預測晶體基態結構的genetic algorithm程序。

06

2011-2013

提出了自旋序誘導鐵電性的統一極化模型，發展了計算二階磁相互作用和磁電耦合強度的“四態法”，并在程序里實現了這些模型和方法。

07

2011

編寫了處理電子的緊束縛模型程序，可處理非磁性和磁性體系（包括非共線自旋體系）。基于該方法可以理解鐵電性和多鐵性的起源，以及磁相互作用的機制。

08

2014

發展了尋找能量最低結構微擾的genetic algorithm，可用于基于已知順電結構預測鐵電基態結構；發展了處理磁彈耦合的方法和程序。

09

2014-2015

在有效自旋哈密頓量程序的基礎上，編寫了處理鐵電體系的有效哈密頓量程序，可以處理簡單的原子位移局域模式之間的相互作用。

10

2016-2018

利用群論方法，發展了磁性、鐵電和多鐵體系的通用有效哈密頓量方法和程序。

11

2019

首次提出了預測磁性體系基態量子序的全局優化方法，并發展了相應的程序；編寫了計算自旋波色散的程序。

12

2020

提出了構造復雜有效哈密頓量的機器學習方法，并發展了相應的程序；在有效哈密頓量方法和程序里引入了合金、分子轉動等自由度。

13

2021

PASP軟件正式命名Property analysis and simulation package for materials，并發表了PASP程序的介紹文章 【1】，PASP軟件進入一個新的發展階段。

14

2022

發展了基于有效哈密頓量的分子動力學方法，包括同時處理自旋和結構自由度的自旋-晶格動力學方法。

PASP著手準備商業化模式與鴻之微公司合作，深度開發和推廣PASP。

15

2023.6

PASP軟件正式發布，雖已起航，任重道遠。

PASP發展的理論模型和計算方法

計算二階磁相互作用和磁電耦合強度的“四態法”【2，3，4】

自旋序誘導鐵電性的統一極化模型【5，6，7，8】

同時處理晶格、自旋、合金、分子轉動等自由度的通用有效哈密頓量模型和方法【1，9，10，11】

構造復雜有效哈密頓量的機器學習方法【12，13，14】

同時處理自旋和結構自由度的自旋-晶格動力學方法

預測團簇和界面基態結構的全局優化方法【15，16】

尋找能量最低結構微擾的genetic algorithm【17，18】

預測磁性體系基態量子序的全局優化方法【19】

用于理解鐵電性和多鐵性的起源，以及磁相互作用機制的緊束縛模型【8，20，21】

PASP的功能

PASP軟件目前集成了諸多功能，例如對稱性分析、有效哈密頓量方法、蒙特卡洛（Monte Carlo）模擬、分子動力學模擬、自旋序誘導鐵電極化的計算、緊束縛模型、全局結構搜索方法、線性自旋波方法等。通過將該程序包與VASP等第一性原理計算軟件結合使用，可以方便地模擬研究材料（特別是磁性、鐵電、多鐵性材料）的多種物理性質（如磁轉變溫度、鐵電極化、電滯回線等），以及從微觀相互作用的角度研究多種物性的物理機制。

目前PASP軟件最常用的功能是一般性有效哈密頓量方法，其中主要涉及有效哈密頓量的構造（包括四態法和構造哈密頓量的機器學習方法）、蒙特卡洛模擬和分子動力學模擬等模塊。在磁性、鐵電、多鐵、電荷密度波等類型的材料中，涉及自旋、局域聲子模式、晶格應變等自由度；在合金材料中，涉及元素種類的自由度；晶體材料中含有有機分子時，還可能涉及有機分子的取向、位移等自由度；此外還可以考慮電荷量、軌道序等自由度。

除了有效哈密頓量方法外，PASP另一主要功能是全局結構搜索。全局結構搜索模塊支持遺傳算法等方法，可以處理結構自由度和自旋自由度。將PASP的全局結構搜索方法與第一性原理計算相結合，可以預測復雜系統的結構基態和基態量子序。

PASP（包括之前的Latticemodel版本）已被國內外多個研究組采用，并在鐵電、磁性研究等方面取得了重要進展【22，23，24，25，26，27，28，29，30】。

PASP的特色

PASP的開發理念是在一個軟件包里盡可能包括更多更全的功能，能處理盡可能多的材料體系。為此，PASP包括了完整的對稱性群論分析（包括點群、空間群、磁群）模塊。基于群論分析，不僅可以構建任何體系的哈密頓量（包括電子哈密頓量和原子層面哈密頓量），而且可以提升量子材料全局結構搜索的效率。PASP的主要功能不受體系結構的限制，原理上可以處理任何體系。

PASP軟件計算算例