向红军/龚新高团队潜心力作丨PASP铁性材料性质分析与模拟软件正式商用
向红军/龚新高团队潜心力作丨PASP铁性材料性质分析与模拟软件正式商用
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2006-2023
复旦大学向红军教授/龚新高院士团队
十八年苦心孤诣，倾力研发
PASP铁性材料性质 分析与模拟软件
终于正式商用
它擅长处理磁性、铁电性和多铁性体系
它能计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质
也能用于分析理解材料性质的微观机制
这是一款独立完整、特色鲜明
具有完全自主知识产权的材料计算软件包
助力材料科学家和研发人员
向高性能材料开发进军
今天我们一起走进这款软件
全方位了解PASP的功能与价值
PASP (Property analysis and simulation package for materials) 是一款独立完整、特色鲜明、自主研发的材料计算软件包，尤其擅长处理磁性、铁电性和多铁性（即同时包括多种铁性）体系，可用于计算模拟材料的基态、热力学和动力学性质，也可用于分析理解材料性质的微观机制。
一方面铁磁和铁电材料已经在信息存储领域应用广泛，另一方面新型磁性、铁电和多铁性材料可能在下一代信息存储和处理领域扮演重要角色，因此对这些材料的研究至关重要。PASP可用于计算模拟这些材料的物理性质，理解其物理机制，并进一步设计和预言高性能材料，是研究这些材料的有效工具。
2006
PASP研发正式启动
2006-2007
编写了寻找电荷序基态的蒙特卡洛程序，程序最初命名为Latticemodel。
2007-2008
编写了自旋体系的蒙特卡洛程序，可以处理海森堡相互作用、单离子各向异性，并实现了基于副本交换（PTMC）的并行化。
2008-2009
编写了预测团簇基态结构的basin-Hopping程序，并首次提出了预测界面基态结构的全局优化方法。
2010
编写了预测晶体基态结构的genetic algorithm程序。
2011-2013
提出了自旋序诱导铁电性的统一极化模型，发展了计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”，并在程序里实现了这些模型和方法。
2011
编写了处理电子的紧束缚模型程序，可处理非磁性和磁性体系（包括非共线自旋体系）。基于该方法可以理解铁电性和多铁性的起源，以及磁相互作用的机制。
2014
发展了寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm，可用于基于已知顺电结构预测铁电基态结构；发展了处理磁弹耦合的方法和程序。
2014-2015
在有效自旋哈密顿量程序的基础上，编写了处理铁电体系的有效哈密顿量程序，可以处理简单的原子位移局域模式之间的相互作用。
2016-2018
利用群论方法，发展了磁性、铁电和多铁体系的通用有效哈密顿量方法和程序。
2019
首次提出了预测磁性体系基态量子序的全局优化方法，并发展了相应的程序；编写了计算自旋波色散的程序。
2020
提出了构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法，并发展了相应的程序；在有效哈密顿量方法和程序里引入了合金、分子转动等自由度。
2021
PASP软件正式命名Property analysis and simulation package for materials，并发表了PASP程序的介绍文章 【1】，PASP软件进入一个新的发展阶段。
2022
发展了基于有效哈密顿量的分子动力学方法，包括同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法。
PASP着手准备商业化模式 与鸿之微公司合作，深度开发和推广PASP。
2023.6
PASP软件正式发布，虽已起航，任重道远。
计算二阶磁相互作用和磁电耦合强度的“四态法”【2，3，4】
自旋序诱导铁电性的统一极化模型【5，6，7，8】
同时处理晶格、自旋、合金、分子转动等自由度的通用有效哈密顿量模型和方法【1，9，10，11】
构造复杂有效哈密顿量的机器学习方法【12，13，14】
同时处理自旋和结构自由度的自旋-晶格动力学方法
预测团簇和界面基态结构的全局优化方法【15，16】
寻找能量最低结构微扰的genetic algorithm【17，18】
预测磁性体系基态量子序的全局优化方法【19】
用于理解铁电性和多铁性的起源，以及磁相互作用机制的紧束缚模型【 8， 20，21】
PASP软件目前集成了诸多功能，例如对称性分析、有效哈密顿量方法、蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟、分子动力学模拟、自旋序诱导铁电极化的计算、紧束缚模型、全局结构搜索方法、线性自旋波方法等。通过将该程序包与VASP等第一性原理计算软件结合使用，可以方便地模拟研究材料（特别是磁性、铁电、多铁性材料）的多种物理性质（如磁转变温度、铁电极化、电滞回线等），以及从微观相互作用的角度研究多种物性的物理机制。
目前PASP软件最常用的功能是一般性有效哈密顿量方法，其中主要涉及有效哈密顿量的构造（包括四态法和构造哈密顿量的机器学习方法）、蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟等模块。在磁性、铁电、多铁、电荷密度波等类型的材料中，涉及自旋、局域声子模式、晶格应变等自由度；在合金材料中，涉及元素种类的自由度；晶体材料中含有有机分子时，还可能涉及有机分子的取向、位移等自由度；此外还可以考虑电荷量、轨道序等自由度。
除了有效哈密顿量方法外，PASP另一主要功能是全局结构搜索。全局结构搜索模块支持遗传算法等方法，可以处理结构自由度和自旋自由度。将PASP的全局结构搜索方法与第一性原理计算相结合，可以预测复杂系统的结构基态和基态量子序。
PASP（包括之前的Latticemodel版本）已被国内外多个研究组采用，并在铁电、磁性研究等方面取得了重要进展【22，23，24，25，26，27，28，29，30】。
PASP的开发理念是在一个软件包里尽可能包括更多更全的功能，能处理尽可能多的材料体系。为此，PASP包括了完整的对称性群论分析（包括点群、空间群、磁群）模块。基于群论分析，不仅可以构建任何体系的哈密顿量（包括电子哈密顿量和原子层面哈密顿量），而且可以提升量子材料全局结构搜索的效率。PASP的主要功能不受体系结构的限制，原理上可以处理任何体系。
Feng Lou, X. Y. Li, J. Y. Ji, H. Y. Yu, J. S. Feng, X. G. Gong, and H. J. Xiang*
“PASP: Property analysis and simulation package for materials”
J. Chem. Phys. 154, 114103 (2021).
X. Z. Lu, Xifan Wu, and H. J. Xiang*
“General microscopic model of magnetoelastic coupling from first principles”
Phys. Rev. B 91, 100405(R) (2015).
H. J. Xiang* , C. Lee, Hyun-Joo Koo, Xingao Gong, and Myung-Hwan Whangbo*
“Magnetic properties and energy-mapping analysis”
Dalton Trans. 42 , 823 (2013).
H. J. Xiang* , E. J. Kan, Su-Huai Wei, M.-H. Whangbo, and X. G. Gong
“Predicting the spin-lattice order of frustrated systems from first principles”
Phys. Rev. B 84 , 224429 (2011).
H. J. Xiang* , P. S. Wang, M.-H. Whangbo, and X. G. Gong
“Unified model of ferroelectricity induced by spin order”
Phys. Rev. B 88, 054404 (2013).
Ji-Hui Yang, Z. L. Li, X. Z. Lu, M.-H. Whangbo, S.-H. Wei, Xingao Gong*, and Hongjun Xiang *
“Strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction and origin of ferroelectricity in Cu 2 OSeO 3 ”
Phys. Rev. Lett. 109 , 107203 (2012).
X. Z. Lu, M.-H. Whangbo, Shuai Dong, X. G. Gong, and Hongjun Xiang*
“Giant Ferroelectric Polarization of CaMn 7 O 12 Induced by a Combined Effect of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and Exchange Striction”
Phys. Rev. Lett. 108 , 187204 (2012).
H. J. Xiang , E. J. Kan, Y. Zhang, M.-H. Whangbo, and X. G. Gong
“General Theory for the Ferroelectric Polarization Induced by Spin-Spiral Order”
Phys. Rev. Lett. 107 , 157202 (2011).
Yali Yang, Junyi Ji, Junsheng Feng, Shiyou Chen*, Laurent Bellaiche, and Hongjun Xiang*
“Two-Dimensional Organic−Inorganic Room-Temperature Multiferroics”
J. Am. Chem. Soc. 144, 14907 (2022).
Kai Liu, Jinlian Lu, Silvia Picozzi, Laurent Bellaiche*, and H. J. Xiang*
“Intrinsic Origin of Enhancement of Ferroelectricity in SnTe Ultrathin Films”
Phys. Rev. Lett. 121 , 027601 (2018).
Teng Gu, T. Scarbrough, Y. Yang, Jorge Íñiguez, L. Bellaiche*, and H. J. Xiang*
“Cooperative Couplings between Octahedral Rotations and Ferroelectricity in Perovskites and Related Materials”
Phys. Rev. Lett. 120 , 197602 (2018).
Changsong Xu, X. Li, Peng Chen, Yun Zhang, H. J. Xiang *, Laurent Bellaiche*
“Assembling Diverse Skyrmionic Phases in Fe 3 GeTe 2 Monolayers”
Adv. Mater. 34, 2107779 (2022).
J. Y. Ni, X. Y. Li, D. Amoroso, X. He, J. S. Feng*, E. J. Kan, S. Picozzi, and H. J. Xiang *
“Giant Biquadratic Exchange in 2D Magnets and Its Role in Stabilizing Ferromagnetism of NiCl 2 Monolayers”
Phys. Rev. Lett. 127, 247204 (2021).
Xue-Yang Li, Feng Lou, Xin-Gao Gong, and Hongjun Xiang*
“Constructing realistic effective spin Hamiltonians with machine learning approaches”
New J. Phys. 22 , 053036 (2020).
H. J. Xiang* , Su-Huai Wei, and X. G. Gong
"Structures of [Ag 7 (SR) 4 ] − and [Ag 7 (DMSA) 4 ] − "
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H. J. Xiang , Juarez L. F. Da Silva, Howard M. Branz, and Su-Huai Wei
“Understanding the Clean Interface between Covalent Si and Ionic Al 2 O 3 ”
Phys. Rev. Lett. 103 , 116101 (2009).
X.Z. Lu*, X.G. Gong, H.J. Xiang*
“Polarization enhancement in perovskite superlattices by oxygen octahedral tilts”
Comp. Mater. Sci. 91 , 310 (2014).
P. S. Wang, W. Ren, L. Bellaiche, and H. J. Xiang*
“Predicting a Ferrimagnetic Phase of Zn 2 FeOsO 6 with Strong Magnetoelectric Coupling”
Phys. Rev. Lett. 114 , 147204 (2015).
Feng Lou, Wei Luo, Junsheng Feng, and Hongjun Xiang *
“Genetic algorithm prediction of pressure-induced multiferroicity in the perovskite PbCoO 3 ”
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Hai Wei, Yali Yang, Shiyou Chen*, and H. J. Xiang*
“Lead-free Hybrid Perovskite N(CH 3 ) 4 SnI 3 with Robust Ferroelectricity Induced by Large and Non-Polar N(CH 3 ) 4+ Molecular Cation”
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Jing Li, J. Y. Ni, X. Y. Li, H.-J. Koo, M.-H. Whangbo, J. S. Feng*, and H. J. Xiang*
“Intralayer ferromagnetism between S=5/2 ions in MnBi 2 Te 4 : Role of empty Bi p states”
Phys. Rev. B 101 , 201408(R) (2020).
Changsong Xu, P. Chen, H. Tan, Yurong Yang, Hongjun Xiang* , and L. Bellaiche*
“Electric-Field Switching of Magnetic Topological Charge in Type-I Multiferroics”
Phys. Rev. Lett. 125 , 037203 (2020).
H. J. Xiang *
“Origin of polar distortion in LiNbO 3 -type “ferroelectric” metals: Role of A-site instability and short-range interactions”
Phys. Rev. B 90 , 094108 (2014).
H. J. Xiang , Su-Huai Wei, and X. G. Gong
"Structural motifs in oxidized graphene: A genetic algorithm study based on density functional theory"
Phys. Rev. B 82, 035416 (2010).
H. J. Xiang , Su-Huai Wei, and M.-H. Whangbo
"Origin of the Structural and Magnetic Anomaly of the Layered Compound SrFeO 2 : A Density Functional Investigation"
Phys. Rev. Lett. 100 , 167207 (2008).
H. J. Xiang and M. -H. Whangbo
"Charge Order and the Origin of Giant Magnetocapacitance in LuFe 2 O 4 "
Phys. Rev. Lett. 98 , 246403 (2007).
X. Z. Lu and J. M. Rondinelli
“Epitaxial-strain-induced polar-to-nonpolar transitions in layered oxides”
Nature Material 15 , 951 (2016)
Hongwei Wang, Fujie Tang, Massimiliano Stengel, Hongjun Xiang, Qi An, Tony Low, and Xifan Wu
“Convert Widespread Paraelectric Perovskite to Ferroelectrics”
Phys. Rev. Lett. 128, 197601 (2022)
Temuujin Bayaraa, Changsong Xu, and L. Bellaiche
“Magnetization Compensation Temperature and Frustration-Induced Topological Defects in Ferrimagnetic Antiperovskite Mn 4 N”
Phys. Rev. Lett. 127, 217204 (2021)
Xingxing Li, Xiaojun Wu, and Jinlong Yang
“Room-Temperature Half-Metallicity in La(Mn,Zn)AsO Alloy via Element Substitutions”
J. Am. Chem. Soc. 136, 5664 (2014)