CALYPSO 是我国自主发展的结构预测方法和软件。为了展现CALYPSO结构预测方法及其在应用领域具有代表性的研究成果，Chinese Physics B (CPB)编辑部邀请该方法和软件的主要开发者马琰铭和王彦超两位老师担任客座编辑，组织了“CALYPSO structure prediction methodology and its applications to materials discovery”专题，敬请关注！

物质内部的原子排列方式（即结构），是理解物质宏观物理和化学性质的关键信息，是物理、化学、材料和地学等多学科领域长期关注的焦点研究内容。近年来, 基于第一性原理的结构预测方法已被广泛应用于结构现象丰富的研究领域，在三维晶体, 二维层状材料，表面重构和零维团簇等多维度材料体系的结构设计方面取得了大批原创性成果，为设计和发现新型功能材料发挥了巨大的作用，有力推动国内外物理、化学和材料等学科的发展。

CALYPSO 是我国自主发展的结构预测方法和软件(http://www.calypso.cn), 学术使用免费，被 65 个国家的2500余位同行采用开展科学研究，已成为国际主流的结构预测方法和软件之一。截至目前，国内外同行利用 CALYPSO 已经在 Nat Chem, Nat Commun, PRL, PNAS, JACS等SCI期刊发表870余篇学术论文, 解决了若干科学难题。如在高压下设计了系列新型氢笼合物高温超导体，多个（LaH10，YH6和YH9）被后续的实验合成，实验测得的超导温度均超过200K，推进了富氢化合物高温超导体研究的进程。

在本专题中，我们邀请来自澳大利亚昆士兰科技大学，英国爱丁堡大学，北京高压科学研究中心，吉林大学，燕山大学，东北师范大学，中国地质大学（武汉），江苏师范大学等单位的专家撰文，从方法和应用两个方面系统介绍 CALYPSO结构预测方法，及其在多个研究领域应用的最新进展和展望。我们希望通过本专题的出版, 可以加强国内外同行之间的学术交流和合作，更好的推动结构预测领域的发展。

TOPICAL REVIEW

晶体结构是理解凝聚态物质的宏观性质和开展新材料设计的基础。从理论上准确预测晶体结构是学界的长期梦想，预测的关键是确定晶体玻恩-奥本海默势能面的最低能态。由于势能面具有高维度和多能谷的复杂特性，最低能态的确定是一个巨大的挑战。针这一难题，吉林大学马琰铭教授课题组提出了基于物理约束的启发式全局优化求解势能面最低能态的学术思想，发展了以卡里普索（CALYPSO）命名的晶体结构预测方法。该方法通过多种物理约束简化势能面最低能态的求解，通过成键特征矩阵方法量化表征势能面，通过群体智能算法高效探索势能面，最终实现了晶体结构的准确预测。本文将详细介绍CALYPSO方法的基本原理，以期读者对该方法有更加深入的理解。

团簇研究的基本问题是弄清团簇的结构和性质是如何随团簇尺寸而演化。基于CALYPSO结构预测方法结合密度泛函理论计算，本文系统地论述了中等尺寸单质金属团簇、金属掺杂硼团簇、硅基团簇以及其它一些二元合金团簇的电子结构及演化规律。特别是中等尺寸金属掺杂硼团簇，研究发现这些金属原子的掺杂有效地改善了纯硼团簇的几何结构和电子特性，且金属掺杂硼团簇的结构演化遵循由半包围结构到鼓状结构最后到管状分子的演变方式，譬如：配位数为10的单环轮状结构TaB10-，平面结构AlB18-，类metallo-borophene结构BeB16-以及双环管状分子MoB18-和MgB18-。这些有趣的团簇构型为未来实验合成与设计新型功能纳米材料提供了理论基础。

超硬材料是一类硬度超过40 GPa的材料，被广泛应用于机械、半导体、冶金、油气开采、珠宝和航空航天等行业和领域，是不可或缺的战略性材料。超硬材料的种类较少，常用的仅有金刚石、立方氮化硼和碳化硼材料。寻找新型超硬材料一直以来都是一个极具挑战性的焦点课题。目前，新型超硬材料的探索主要在轻元素化合物（B-C-N-O）和过渡金属轻元素化合物体系中开展，而以CALYPSO为代表的第一性原理结构搜索方法不依赖任何已知的结构数据，可以创造从未有过的、热力学上可行的稳态/亚稳态的晶体结构。本综述详细介绍了CALYPSO在理论设计新型超硬晶体方面的进展。这些新型超硬晶体的发现，不仅极大地丰富了超硬材料种类，而且可以很好地说明以前实验上无法确定的相结构，从而引发了理论设计超硬材料的浪潮，推动了实验合成新型超硬材料的发展。

氧化态反映元素在化合物中的化合状态及其在化学反应过程中的电子得失情况，因而与物质的物理和化学性质密切相关。当一个化合物含有的一个或多个元素显示新氧化态时，通常会表现出新奇的结构和电子性质。因此，探索导致新氧化态形成的机制和方法，并基于此构造具有特殊性质的新物质一直是凝聚态物理领域的重要研究课题。

压力作为一种基本的热力学变量，是制备非常规化合物的有效手段。本综述聚焦于第一性原理群智能结构搜索计算（CALYPSO）研究高压氧化态的最新进展。重点讨论了元素内壳层电子或外层空轨道参与化学成键、非常规原子间电荷转移、超价态化合物和惰性气体的化学反应特性等，对进一步研究高压化学反应及设计元素新氧化态有一定指导意义。本文还展望了此领域研究面临的机遇和挑战。

理解行星的内部组成和动力学过程是地球和行星科学研究的焦点，其核心是研究行星内部高温、高压等极端条件下材料的物理化学性质。本文系统介绍了CALYPSO晶体结构预测方法结合密度泛函理论计算在多个地球科学感兴趣的领域所取得的成功应用：1. 地球固体内核环境下轻元素富铁化合物；2. 天王星、海王星等冰系行星地幔区域冰、氨和甲烷的混合物; 3. 岩石行星地幔区域以硅酸盐为主要成分的矿物。这些极端条件下丰富的化合物，对于了解行星系统的形成、演化以及太阳系在宇宙中的地位具有重要的意义。

电子化合物是一种电子在晶格间隙中充当阴离子的离子固体。近十几年来，电子化合物引起了人们的广泛关注。电子化合物优异的物理及化学性能使得其在催化、超导及有机发光二极管（OLEDs）等领域得到了广泛应用。然而，由于电子化合物的形成条件苛刻，常压下存在的电子化合物种类非常稀少。高压可以极大的改变原子的成键特点，因而成为寻找新型电子化合物的有力手段。本文概述了高压电子化合物的形成机理及判定方法，并基于CALYPSO结构搜索软件对高压电子化合物从理论设计到实验合成过程进行了讨论。此外，本文以Ca2N为例对压力下电子化合物的导电性及电子维度的变化进行了研究。

自1911年发现汞具有4.2 K的超导现象以来，寻找新型高温超导体一直是科学工作者的不懈追求。根据BCS理论，高压下金属化的富氢化合物可能是潜在的高温超导体。但由于富氢化合物的种类繁多，究竟选择何种富氢化合物来开展高压实验是本领域的难点，需要前瞻性的理论计算来指导。CALYPSO晶体结构预测方法在设计新型富氢超导体研究领域发挥了重要作用。本文总结了采用CALYPSO方法设计的所有富氢超导体，并聚焦利用CALYPSO方法预测结果引导的两个重大实验突破：具有高超导转变温度的氢硫化合物和镧氢化合物。最后，本文阐述了这个领域面临的挑战和未来的发展方向。

二维材料是目前国际材料科学研究的前沿焦点，有望在下一代信息和能源存储领域得到广泛应用。近年来，人们利用CALYPSO结构预测方法在探索新型二维功能材料方面取得了一系列的重要成果。本文重点介绍了CALYPSO结构预测方法在二维材料结构设计研究领域的最新进展，报道了一些新奇的二维层状单质元素和化合物，包括：石墨烯和硼烯、碳基和硼基化合物、二元和三元合金化合物。同时，对当前二维功能材料研究中存在的一些重要科学问题和发展方向作了展望。这些研究成果对未来新型功能材料的合成与设计具有重要的指导意义。