Quantum ESPRESSO 第一性原理计算

用 Quantum ESPRESSO 做 DFT / DFPT：基态、能带、DOS、声子、电声耦合、费米面和电荷密度分析。

本 skill 故意保持轻量：

• 它负责告诉 agent 什么时候该用 QE、标准计算链路是什么、哪些物理与数值规范不能忽略
• 它不承担输入文件字段和程序参数手册的职责
• 具体输入变量、namelist 字段、程序差异统一去查 scholaraio toolref

Agent 默认协议（toolref-first）

对 QE 问题，agent 默认按这个顺序工作：

1. 先判断任务属于哪个程序：pw.x、ph.x、matdyn.x、q2r.x、dos.x、projwfc.x
2. 写输入文件或解释参数前，先用 scholaraio toolref show qe ... 查关键变量
3. 不确定变量归属时，先 search 再 show
4. 如果 toolref 已能回答，就不要把 skill 当第二份参数手册
5. 如果 toolref 缺页或命中不好，先继续完成用户任务，再回报这是 toolref 覆盖缺口，而不是把补文档工作甩给用户

这意味着：

• 普通用户不需要自己打磨 QE toolref
• agent 应优先自己查、自己判断、自己退化处理
• 只有在同一缺口反复出现时，才值得进入正式 onboarding/维护流程

前置条件

# 安装
conda install -c conda-forge qe
# 或编译 GPU 版（推荐 A100）

# 赝势下载
# PseudoDojo NC (DFPT 推荐): http://www.pseudo-dojo.org/
# SSSP Efficiency: https://www.materialscloud.org/discover/sssp

验证：pw.x --version 应显示版本。GPU 版本确认 CUDA 支持。

何时使用

适合：

• 晶体材料的电子结构、能带、DOS、声子、超导、电荷密度
• 需要第一性原理精度、并能接受较高计算成本的任务

不适合：

• 需要大尺度长时间分子动力学时，优先经典 MD
• 只是想快速试错而没有结构、赝势、收敛策略时，不要直接上正式算例

Toolref 优先

当 agent 不确定 QE 输入变量、程序名、namelist 所属、默认值或适用条件时，先查 toolref。

常用查法：

scholaraio toolref search qe "wavefunction cutoff"
scholaraio toolref show qe pw ecutwfc
scholaraio toolref show qe pw occupations
scholaraio toolref show qe ph tr2_ph
scholaraio toolref show qe matdyn asr

推荐习惯：

• 写 .in 文件前，先查关键变量
• 不靠旧博客记忆 SYSTEM / ELECTRONS / INPUTPH 字段
• 程序切换时先确认变量属于 pw.x、ph.x、matdyn.x 还是别的模块

如果遇到覆盖缺口：

• 先继续用官方手册或源码文档完成任务
• 在回答里明确说明“这里使用了 toolref 之外的官方文档”
• 不要要求用户自己先去补齐文档层

核心工作流

知识库协作模式

1. 用 scholaraio usearch "<材料名称> DFT" 检索相关论文
2. 从论文提取：晶体结构、交换关联泛函、k 网格、截断能、实验基准值
3. 在输入文件注释中标注参数来源
4. 计算完成后与实验数据（晶格常数、能带间隙、声子频率）对比

计算流程

SCF (pw.x)           → 基态电荷密度
  ├─ NSCF (pw.x)     → 能带/DOS 的本征值
  │   ├─ bands.x     → 能带结构后处理
  │   ├─ dos.x       → 态密度
  │   ├─ projwfc.x   → 投影态密度（轨道分辨）
  │   └─ fs.x        → 费米面 (.bxsf)
  ├─ Phonons (ph.x)  → DFPT 声子计算
  │   ├─ q2r.x       → 实空间力常数
  │   ├─ matdyn.x    → 声子色散插值
  │   └─ e-ph        → 电声耦合 (α²F, λ, Tc)
  └─ pp.x            → 电荷密度/ELF 后处理

建议工作流：

1. 从论文或数据库确定结构、磁性、泛函、赝势候选
2. 先做 SCF 与收敛测试
3. 再做 NSCF / 能带 / DOS
4. 需要振动性质时做 DFPT
5. 需要超导分析时做电声耦合和 Tc 估算
6. 最后统一和实验或文献做定量对比

关键任务类型

• 基态性质：总能、晶格常数、磁矩、应力
• 能带 / DOS / PDOS：电子结构解释
• 声子色散：动力学稳定性、软模、热性质
• 电声耦合：alpha2f, λ, Tc
• 电荷密度 / ELF / 费米面：成键与输运解释

电声耦合 & Tc

如果 ph.x 中设了 electron_phonon = 'interpolated'，会输出 alpha2f.dat（Eliashberg 谱函数）。

从 α²F(ω) 计算：

λ = 2 ∫ α²F(ω)/ω dω
ωlog = exp[(2/λ) ∫ α²F(ω) ln(ω)/ω dω]
Tc = (ωlog/1.2) × exp[-1.04(1+λ) / (λ - μ*(1+0.62λ))]

Allen-Dynes 公式中 μ* = 0.10-0.15（Coulomb 伪势），必须讨论 μ 敏感性*。

典型查询点

• ecutwfc, ecutrho, occupations, smearing, degauss
• conv_thr, mixing_beta
• tr2_ph, ldisp, electron_phonon
• asr 与后处理程序的变量位置

这些都应该通过 toolref 查询当前版本定义。

赝势选择

科学规范：声子计算优先用 NC 赝势。

并行策略

# k 点并行（最常用）
mpirun -np 16 pw.x -npool 4 < scf.in > scf.out
# 每 pool 处理 1/4 的 k 点

# ph.x 并行
mpirun -np 16 ph.x -npool 4 < ph.in > ph.out
# 可加 -nimage 对 q 点/不可约表示并行

GPU 版 pw.x：每 GPU 一个 MPI rank，-npool = N_GPU。

可视化

科学规范

附加规范：

• 不要只给出“算出来了”，要报告收敛性与误差来源
• 不要把单次参数设置当金标准，收敛测试必须可追溯
• 对金属和绝缘体的展宽策略要明确区分

Agent 行为准则

• 不要凭印象写 QE 输入字段，查 toolref
• 不要跳过收敛测试直接解读物理
• 不要把 DFT 数值结果当实验事实，必须说明泛函、赝势和近似
• 不要只给带图，要回到材料物理问题解释结果