Abstract The CASTEP code for first principles electronic structure calculations will be described. A brief, non-technical overview will be given and some of the features and capabilities highlighted. Some features which are unique to CASTEP will be described and near-future development plans outlined.

First-principles simulation, meaning density-functional theory calculations with plane waves and pseudopotentials, has become a prized technique in condensed-matter theory. Here I look at the basics of the suject, give a brief review of the theory, examining the strengths and weaknesses of its implementation, and illustrating some of the ways simulators approach problems through a small case study. I also discuss why and how modern software design methods have been used in writing a completely new modular version of the CASTEP code.

This article describes recent technical developments that have made the total-energy pseudopotential the most powerful ab initio quantum-mechanical modeling method presently available. In addition to presenting technical details of the pseudopotential method, the article aims to heighten awareness of the capabilities of the method in order to stimulate its application to as wide a range of problems in as many scientific disciplines as possible.

The convergence of the electrostatic energy in calculations using periodic boundary conditions is considered in the context of periodic solids and localized aperiodic systems in the gas and condensed phases. Conditions for the absolute convergence of the total energy in periodic boundary conditions are obtained, and their implications for calculations of the properties of polarized solids under the zero-field assumption are discussed. For aperiodic systems the exact electrostatic energy functional in periodic boundary conditions is obtained. The convergence in such systems is considered in the limit of large supercells, where, in the gas phase, the computational effort is proportional to the volume. It is shown that for neutral localized aperiodic systems in either the gas or condensed phases, the energy can always be made to converge as O(${\mathit{L}}^{\mathrm{\ensuremath{-}}5}$) where L is the linear dimension of the supercell. For charged systems, convergence at this rate can be achieved after adding correction terms to the energy to account for spurious interactions induced by the periodic boundary conditions. These terms are derived exactly for the gas phase and heuristically for the condensed phase.

We introduce a class of interatomic potential models that can be automatically generated from data consisting of the energies and forces experienced by atoms, as derived from quantum mechanical calculations. The models do not have a fixed functional form and hence are capable of modeling complex potential energy landscapes. They are systematically improvable with more data. We apply the method to bulk crystals, and test it by calculating properties at high temperatures. Using the interatomic potential to generate the long molecular dynamics trajectories required for such calculations saves orders of magnitude in computational cost.

International Journal of Quantum ChemistryVolume 77, Issue 5 p. 895-910 Electronic structure, properties, and phase stability of inorganic crystals: A pseudopotential plane-wave study V. Milman, Corresponding Author V. Milman MSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomMSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomSearch for more papers by this authorB. Winkler, B. Winkler Institut für Geowissenschaften, Mineralogie/Kristallographie, Olshausenstr 40, D 24098 Kiel, GermanySearch for more papers by this authorJ. A. White, J. A. White MSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomSearch for more papers by this authorC. J. Pickard, C. J. Pickard TCM Group, Cavendish Laboratory, Cambridge University, Cambridge CB3 0HE, United KingdomSearch for more papers by this authorM. C. Payne, M. C. Payne TCM Group, Cavendish Laboratory, Cambridge University, Cambridge CB3 0HE, United KingdomSearch for more papers by this authorE. V. Akhmatskaya, E. V. Akhmatskaya Fujitsu European Centre for Information Technology, 2 Longwalk Road, Stockley Park, Uxbridge UB11 1AB, United KingdomSearch for more papers by this authorR. H. Nobes, R. H. Nobes Fujitsu European Centre for Information Technology, 2 Longwalk Road, Stockley Park, Uxbridge UB11 1AB, United KingdomSearch for more papers by this author V. Milman, Corresponding Author V. Milman MSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomMSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomSearch for more papers by this authorB. Winkler, B. Winkler Institut für Geowissenschaften, Mineralogie/Kristallographie, Olshausenstr 40, D 24098 Kiel, GermanySearch for more papers by this authorJ. A. White, J. A. White MSI, The Quorum, Barnwell Road, Cambridge CB5 8RE, United KingdomSearch for more papers by this authorC. J. Pickard, C. J. Pickard TCM Group, Cavendish Laboratory, Cambridge University, Cambridge CB3 0HE, United KingdomSearch for more papers by this authorM. C. Payne, M. C. Payne TCM Group, Cavendish Laboratory, Cambridge University, Cambridge CB3 0HE, United KingdomSearch for more papers by this authorE. V. Akhmatskaya, E. V. Akhmatskaya Fujitsu European Centre for Information Technology, 2 Longwalk Road, Stockley Park, Uxbridge UB11 1AB, United KingdomSearch for more papers by this authorR. H. Nobes, R. H. Nobes Fujitsu European Centre for Information Technology, 2 Longwalk Road, Stockley Park, Uxbridge UB11 1AB, United KingdomSearch for more papers by this author First published: 15 March 2000 https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-461X(2000)77:5<895::AID-QUA10>3.0.CO;2-CCitations: 1,375Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Abstract Recent developments in density functional theory (DFT) methods applicable to studies of large periodic systems are outlined. During the past three decades, DFT has become an essential part of computational materials science, addressing problems in materials design and processing. The theory allows us to interpret experimental data and to generate property data (such as binding energies of molecules on surfaces) for known materials, and also serves as an aid in the search for and design of novel materials and processes. A number of algorithmic implementations are currently being used, including ultrasoft pseudopotentials, efficient iterative schemes for solving the one-electron DFT equations, and computationally efficient codes for massively parallel computers. The first part of this article provides an overview of plane-wave pseudopotential DFT methods. Their capabilities are subsequently illustrated by examples including the prediction of crystal structures, the study of the compressibility of minerals, and applications to pressure-induced phase transitions. Future theoretical and computational developments are expected to lead to improved accuracy and to treatment of larger systems with a higher computational efficiency. © 2000 John Wiley & Sons, Inc. Int J Quant Chem 77: 895–910, 2000 Citing Literature Volume77, Issue5Special Issue: Electronic Structure of Materials (Part I of II)2000Pages 895-910 RelatedInformation

The purpose of the present work is to obtain a better atomic pseudopotential with respect to convergence and computational efficiency while retaining reasonable transferability in the context of electronic-structure calculations for solids using a plane-wave basis set. We introduce a systematic procedure for generating optimized nonlocal pseudopotentials by minimizing the high Fourier components of the pseudo-wave-functions with the constraints of normalization and continuity of first and second derivatives of the wave function at the core radius. This is based on the recent ideas of Rappe et al. (RRKJ) [Phys. Rev. B 41, 1227 (1990)], but overcomes certain difficulties which we have found with the RRKJ scheme. For computational efficiency this optimized nonlocal pseudopotential is transformed into a Kleinman-Bylander (KB) form. To ensure the transferability we first compare the logarithmic derivative of the all-electron wave function with that of the final KB form of the optimized nonlocal pseudopotential over a wide range of energies. We then test the KB form of the potential in a number of atomic environments. The structural properties of ZnS are calculated to demonstrate the reliability of our optimized nonlocal separable ab initio pseudopotential and its total-energy convergence.

Al(110) has been studied for temperatures up to 900 K via ensemble density-functional molecular dynamics. The strong anharmonicity displayed by this surface results in a negative coefficient of thermal expansion, where the first interlayer distance decreases with increasing temperature. Very shallow channels of oscillation for the second-layer atoms in the direction perpendicular to the surface support this anomalous contraction, and provide a novel mechanism for the formation of adatom-vacancy pairs, preliminary to the disordering and premelting transition. Such characteristic behavior originates in the free-electron-gas bonding at a loosely packed surface.

We present ONETEP (order-N electronic total energy package), a density functional program for parallel computers whose computational cost scales linearly with the number of atoms and the number of processors. ONETEP is based on our reformulation of the plane wave pseudopotential method which exploits the electronic localization that is inherent in systems with a nonvanishing band gap. We summarize the theoretical developments that enable the direct optimization of strictly localized quantities expressed in terms of a delocalized plane wave basis. These same localized quantities lead us to a physical way of dividing the computational effort among many processors to allow calculations to be performed efficiently on parallel supercomputers. We show with examples that ONETEP achieves excellent speedups with increasing numbers of processors and confirm that the time taken by ONETEP as a function of increasing number of atoms for a given number of processors is indeed linear. What distinguishes our approach is that the localization is achieved in a controlled and mathematically consistent manner so that ONETEP obtains the same accuracy as conventional cubic-scaling plane wave approaches and offers fast and stable convergence. We expect that calculations with ONETEP have the potential to provide quantitative theoretical predictions for problems involving thousands of atoms such as those often encountered in nanoscience and biophysics.

A means of correcting total energy pseudopotential calculations performed using a fixed cut-off energy for the plane waves in the basis set is presented. The use of a finite set of special k-points in such a calculation will introduce errors in the total energies which decrease only slowly with increasing cut-off energy. In particular, total energy differences are not accurate unless the cut-off energy used is sufficiently large that the total energies are themselves converged. This would not be the case if a truly constant cut-off energy could be used. Unfortunately this can only be achieved by using an infinite k-point set. The authors have derived a correction which will explicitly eliminate these errors to give total energies which can correspond to a strictly constant cut-off energy. In this way, total energy differences and hence many physical properties can be accurately calculated using cut-off energies significantly lower than otherwise possible, with substantial savings in computational time.