User Tools

Site Tools


exercises:2017_ethz_mmm:wannier

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.


exercises:2017_ethz_mmm:wannier [2020/08/21 10:15] (current) – created - external edit 127.0.0.1
Line 1: Line 1:
 +====== Maximally Localized Wannier Functions ======
 +
 +In this exercise we will explore alternative ways to divide the electronic densities into orbitals. By requiring that orbitals should be as localized as possible one obtains a representation, which closely resembles the typical text-book pictures of molecular orbitals.
 +
 +<note tip>
 +You should run these calculations on 4 nodes with ''bsub -n 4''
 +</note>
 +
 +===== 1. Task: Caffeine Molecule =====
 +Calculate the electronic ground state of the Caffeine molecule by running the provided input file. The simulation will output: 
 +
 +  * the molecular orbitals (MOs) as separate cube-files
 +  * the Wannier functions as separate cube-files
 +  * the centers of all Wannier functions combined in a single xyz-file
 +
 +===== 2. Task: Water Box =====
 +Repeat the previous calculation on a box of 64 water molecules. You can use the following SUBSYS-section. Since the water simulation uses periodic boundary condition, don't forget to turn off the Poisson solver.
 +
 +<code>
 +&SUBSYS
 +    &CELL  
 +       ABC 12.4544808085 12.4544808085 12.4544808085
 +    &END CELL
 +    &COORD
 +@INCLUDE '64water.coord' 
 +    &END COORD
 +...
 +&END SUBSYS
 +</code>
 +
 +===== Questions =====
 +  - Visualize some of the MO and Wannier functions with vmd. What is the key difference between these two kinds of orbitals?
 +  - Visualize the Wannier centers in vmd. How can you distinguish between lone pairs, single-, and double-bonds?
 +
 +<note tip>
 +Howto visualize cube files with VMD was covered in a [[mo_ethene|previous exercise]].
 +
 +Initially VMD does not know about the dimensions of the simulations cell. To setup, e.g. a 15Å qubic box, just type the following into vmd's Tk-console:
 +<code>
 +vmd> pbc set {15.0 15.0 15.0}
 +vmd> pbc wrap
 +</code>
 +</note>
 +
 +
 +===== Required Files =====
 +{{64water.coord.gz|}}
 +
 +<code - caffeine.inp>
 +&GLOBAL
 +  PROJECT caffeine
 +  RUN_TYPE ENERGY
 +&END GLOBAL
 +
 +&FORCE_EVAL
 +  &DFT
 +    ! Output all occupied molecular orbitals as cube-files
 +    &PRINT
 +      &MO_CUBES
 +         NHOMO -1
 +      &END MO_CUBES
 +    &END PRINT
 +    
 +    ! Calculate the maximally localized Wannier functions
 +    &LOCALIZE
 +      METHOD CRAZY
 +      EPS_LOCALIZATION 1.0E-8
 +      &PRINT
 +        ! Output the Wannier functions as cube-files
 +        &WANNIER_CUBES
 +        &END
 +        ! Output the centers of all Wannier functions as xyz-file
 +        &WANNIER_CENTERS
 +           IONS+CENTERS .TRUE.
 +        &END
 +      &END
 +    &END      
 +    
 +    ! exchange correlation functional
 +    &XC
 +      &XC_FUNCTIONAL PBE
 +      &END XC_FUNCTIONAL
 +    &END XC
 +
 +    ! Poisson solver required for non-periodic calculation
 +    &POISSON
 +      PERIODIC NONE
 +      PSOLVER  WAVELET
 +    &END POISSON
 +
 +! ============ SCF fine tuning ============
 +    &MGRID
 +      CUTOFF     400
 +    &END MGRID
 +    &QS
 +      EPS_DEFAULT 1.0E-10
 +    &END QS
 +    &SCF
 +      SCF_GUESS ATOMIC
 +      EPS_SCF 1.0E-7
 +      MAX_SCF 30
 +      &OT
 +        MINIMIZER CG
 +        PRECONDITIONER FULL_SINGLE_INVERSE
 +      &END
 +      &OUTER_SCF
 +        EPS_SCF  1.0E-7
 +        MAX_SCF  4
 +      &END
 +    &END SCF
 +! ============ End of SCF fine tuning ============
 +
 +  &END DFT
 +
 +&SUBSYS
 +    &CELL
 +      ABC 15.0  15.0  15.0
 +      PERIODIC NONE
 +    &END CELL
 +    &TOPOLOGY
 +      &CENTER_COORDINATES
 +      &END
 +    &END TOPOLOGY
 +
 +    &COORD
 +           4.4169009427        5.7654974925        7.9758408247
 +           8.6708423642        5.8343946244        6.6347213084
 +           7.7544572660        7.7275482372        7.8213939469
 +           6.3919654318        5.8642629272        7.3568679126
 +           6.4494839543        7.1525402940        7.9597387862
 +           7.4402138371        5.1755331540        6.7117923744
 +           8.8064058483        7.0850033638        7.1845597858
 +           8.2778986769        8.9446280562        8.2382523594
 +           7.2643506988        4.0529962930        6.2454118622
 +           5.1156137682        5.1424213782        7.4120564649
 +           5.4684099858        7.6593220497        8.5167253955
 +          10.2341485900        9.7932463989        8.0304114260
 +           9.7967248636        5.1907999513        5.9591641231
 +           5.2562171072        4.1726515030        7.9014364748
 +           4.7402775185        4.9652043967        6.3976240445
 +          10.6401430351        5.0886560185        6.6519804958
 +          10.1151718438        5.7973815083        5.1027558576
 +           9.4549428018        4.2086990850        5.6240133244
 +           7.5708564616        9.9966158796        8.9691451507
 +           9.5777006425        8.9511038401        7.8331053451
 +           9.9406928680        7.8388520756        7.1872221397
 +           7.5517578349       10.9193467788        8.3771079019
 +           8.0665429481       10.1847691445        9.9288020634
 +           6.5474923450        9.6514720878        9.1444003294
 +    &END COORD
 +
 +    &KIND H
 +      BASIS_SET         TZV2P-GTH
 +      POTENTIAL         GTH-PBE-q1
 +    &END KIND
 +    &KIND C
 +      BASIS_SET          TZV2P-GTH
 +      POTENTIAL          GTH-PBE-q4
 +    &END KIND
 +    &KIND N
 +      BASIS_SET          TZV2P-GTH
 +      POTENTIAL          GTH-PBE-q5
 +    &END KIND
 +    &KIND O
 +      BASIS_SET          TZV2P-GTH
 +      POTENTIAL          GTH-PBE-q6
 +    &END KIND
 +  &END SUBSYS
 +&END FORCE_EVAL
 +</code>
 +
 +<code - BASIS_SET>
 +H TZV2P-GTH
 +  2
 +  1  0  0  5  3
 +       10.8827241585  -0.0167058885   0.0000000000   0.0000000000
 +        3.0968750876  -0.0627538300   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.9874518162  -0.1917521975   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.3450687533  -0.4173635232   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.1492693554  -0.4270508887   0.0000000000   1.0000000000
 +  2  1  1  2  2
 +        1.4070000000   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.3880000000   0.0000000000   1.0000000000
 +#
 +C TZV2P-GTH
 +  2
 +  2  0  1  5  3  3
 +        5.3685662937   0.0974901974   0.0000000000   0.0000000000  -0.0510969367   0.0000000000   0.0000000000
 +        1.9830691554   0.1041996677   0.0000000000   0.0000000000  -0.1693035193   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.6978346167  -0.3645093878   0.0000000000   0.0000000000  -0.3579933930   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.2430968816  -0.6336931464   1.0000000000   0.0000000000  -0.4327616531   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.0812865018  -0.1676727564   0.0000000000   1.0000000000  -0.2457672757   0.0000000000   1.0000000000
 +  3  2  2  2  2
 +        1.0970000000   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.3180000000   0.0000000000   1.0000000000
 +#
 +N TZV2P-GTH
 +  2
 +  2  0  1  5  3  3
 +        7.6227447102   0.0983924689   0.0000000000   0.0000000000  -0.0561654555   0.0000000000   0.0000000000
 +        2.7970605447   0.1045217098   0.0000000000   0.0000000000  -0.1798165209   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.9909765447  -0.3742661352   0.0000000000   0.0000000000  -0.3653986185   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.3417314862  -0.6278094034   1.0000000000   0.0000000000  -0.4259126207   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.1116822743  -0.1675236192   0.0000000000   1.0000000000  -0.2366040346   0.0000000000   1.0000000000
 +  3  2  2  2  2
 +        1.6540000000   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.4690000000   0.0000000000   1.0000000000
 +#
 +O TZV2P-GTH
 +  2
 +  2  0  1  5  3  3
 +       10.2674419938   0.0989598460   0.0000000000   0.0000000000  -0.0595856940   0.0000000000   0.0000000000
 +        3.7480495696   0.1041178339   0.0000000000   0.0000000000  -0.1875649045   0.0000000000   0.0000000000
 +        1.3308337704  -0.3808255700   0.0000000000   0.0000000000  -0.3700707718   0.0000000000   0.0000000000
 +        0.4556802254  -0.6232449802   1.0000000000   0.0000000000  -0.4204922615   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.1462920596  -0.1677863491   0.0000000000   1.0000000000  -0.2313901687   0.0000000000   1.0000000000
 +  3  2  2  2  2
 +        2.3140000000   1.0000000000   0.0000000000
 +        0.6450000000   0.0000000000   1.0000000000
 +</code>
 +
 +<code - POTENTIAL>
 +H GTH-PBE-q1
 +    1
 +     0.20000000    2    -4.17890044     0.72446331
 +    0
 +#
 +C GTH-PBE-q4
 +    2    2
 +     0.33847124    2    -8.80367398     1.33921085
 +    2
 +     0.30257575    1     9.62248665
 +     0.29150694    0
 +#
 +N GTH-PBE-q5
 +    2    3
 +     0.28379052    2   -12.41522559     1.86809592
 +    2
 +     0.25540500    1    13.63026257
 +     0.24549453    0
 +#
 +O GTH-PBE-q6
 +    2    4
 +     0.24455430    2   -16.66721480     2.48731132
 +    2
 +     0.22095592    1    18.33745811
 +     0.21133247    0
 +</code>