从零开头学Octopus（1）：Octopus是什么？

一句话归纳

Octopus是密度泛函实际（density-functional theory，DFT）和含时密度泛函实际（time-dependent density functional theory ，TDDFT）的一个无偿（但很专业）的软件包。

简介

Octopus是一个赝势（pseudopotential）实空间（real-space）的软件包，旨在模仿处于含时电磁场作用下的一维、二维和三维仅限体系的电子-离子动力学历程。该软件基于Kohn-Sham框架的含时密度泛函实际（TDDFT）。一切物理量都在实空间的端正网格下掀开，并展开及时（real time）模仿。软件已被告捷使用于多种物理体系的线性及非线性吸取谱（absorption spectra）、谐振谱（harmonic spectra）、激光诱导崩溃（laser induced fragmentation）等等历程。关于DFT和TDDFT的基本原理可参考专业的 TDDFT册本，在此不再先容。

实空间办法的优点是整个模仿历程简便直观。起首，诸如密度或波函数等物理量在实空间中可视化十分简便。进一步，该办法在1-，2-或3-维体系及不同界限条件下也相当易于举行数值完成。比如，我们不必要超胞（super-cell）也可研讨仅限体系、分子或团簇，只须简便地将距体系充足远处外表的波函数设置为零。相反地，在施加了切合的周期性界限条件后，仅限体系、聚合物或体相质料（bulk material）也能被加以研讨。别的，在实空间办法下仅有一个收敛参数——网格步长（grid-spacing），经过减小网格步长通常能好效改良盘算后果。

不幸的是，实空间办法有一些缺陷。比如，大大多实空间办法的完成不是变分的（variational），即我们约莫找到一个低于真实能量的总能量，且假如我们减小网格间距能量实践上可以增长。别的，网格会中缀平移对称性，并且还可以毁坏体系约莫具有的其他对称性，招致报答地消弭了局部简并，或在光谱中显现杂散峰等。固然，一切这些成绩都可以经过变小网格间距来最小化。

汗青

Octopus基于一个由George F. Bertsch和K. Yabana编写的用于团簇的定核（fixed-nucleus）及时动力学模仿的代码，以及一个由A. Rubio, X. Blase和S.G. Louie编写的实空间平面波（plane-wave）凝结态（condensed matter）代码。该代码厥后被G.F. Bertsch，J.I. Iwata，A. Rubio和K. Yabana扩展到周期性体系。同时，对原始的团簇代码举行了严重重写，以处理绝大大多仅限体系，并被定名为tddft。

这个版本被A. Castro（事先是A. Rubio的博士生）加强和丑化，产生了相当冗长的15，000行Fortran 90/77代码。2000年，M. Marques作为博士后到场了位于巴利亚多利德（Valladolid）的A. Rubio小组。由于必需在事情中使用tddft，并且以为本人可以比先辈们更好地构建代码，他与A. Castro一同开头对代码举行严重重写，完成了tddft的0.2版本。但是事变仍旧不完善：由于他们对Fortran 90的履历仅限，并且由于这种言语本身的不敷，代码的几个局部仍旧显得笨拙痴肥。别的，在一个酒精之夜产生了将这个以前接近20，000行的代码举行GNU通用公用允许（GPL）受权的想法。因此，颠末几周的猖獗编码后，Octopus诞生了。

颠末多年的提高，如今Octupus的版本以前到了12.2。

特性