北大团队开发的高精度近似相对论与非相对论DFT计算程序

本文档探讨了"近似相对论与非相对论密度泛函理论高精度计算方法和程序"，发表于2003年北京大学学报(自然科学版)第39卷第2期。作者们在已经建立的高精度非相对论密度泛函理论计算程序基础上，扩展了新的功能，包括近似相对论密度泛函计算、对称性群轨道生成、解析能量梯度计算以及几何构型的自动优化。他们对Dirac方程的规则近似展开方法进行了利用，这是一种高效且精度较高的近似相对论计算手段，通过变分法处理得到的方程便于计算，并能满足化学理论研究中的常规需求。 文章强调了对于含有重元素的体系，相对论效应具有显著影响，因此在理论研究中必不可少。尽管直接精确求解Dirac方程的难度大，但通过引入的高精度计算程序，可以处理这类复杂的系统，尤其是通过数值积分方案的改进和在MPICH环境下的并行化，大大提高了计算效率。 非相对论密度泛函理论是基于Kohn-Sham方程的，其中交换能和相关能通过电子密度的泛函近似表达，这种方法相对于哈密顿-薛定谔方法，虽然泛函形式复杂，但计算量更小且精度更高。作者的研究团队已经开发出的程序具备多种特性：支持原子数值基、STO基或混合使用；所有的矩阵元采用高精度数值积分；库仑势通过电荷密度分割和多极展开精确求解；并采用过渡态方法减少总能量计算中的误差。 这篇论文介绍了如何将这些先进的计算技术整合到一个全面的程序中，以满足对各类体系，特别是含有重元素体系的量子化学计算的需求。这个程序的扩展不仅提升了计算能力，还优化了计算过程，使得相对论效应的考虑更加可行，为科学研究提供了强大的工具。