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研究快讯 | VASP2KP: 通过第一性方法计算kp模型和朗德g因子
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EXPRESS LETTER
VASP2KP: k⋅p Models and Landé g-Factors from ab initio Calculations
Sheng Zhang (章盛), Haohao Sheng (盛昊昊), Zhi-Da Song (宋志达), Chenhao Liang (梁晨昊), Yi Jiang (蒋毅), Song Sun (孙松), Quansheng Wu (吴泉生), Hongming Weng (翁红明), Zhong Fang (方忠), Xi Dai (戴希), and Zhijun Wang (王志俊)
Chin. Phys. Lett. 2023 40 (12): 127101
DOI: 10.1088/0256-307X/40/12/127101
文章亮点
基于第一性原理计算软件VASP开发了一种开源计算软件包VASP2KP，其可以自动化地构建材料的有效kp模型和塞曼耦合哈密顿量，并计算相应kp参数和朗德g因子。材料模型哈密顿方法在物理领域有着广泛应用，这项工作将极大改善研究效率，系统地预测材料的基本物性，如电子有效质量和能带朗德g因子。该程序包将在材料物理领域广泛使用，基于DFT的全带kp模型可以像Wannier函数一样流行。
VASP2KP的工作流程图。1. vasp2mat根据VASP的波函数得到广义动量矩阵，自旋矩阵和晶体对称性操作表示矩阵。2. IRVSP根据VASP的波函数得到指定布里渊区k点和能带的不可约表示。3. mat2kp通过以上输入自动构建有效kp模型和塞曼耦合哈密顿量，计算kp参数与朗徳g因子。
VASP2KP: 通过第一性方法计算kp模型和朗德g因子
研究背景
电子能带结构在凝聚态物理和材料科学领域具有非常重要的意义，为晶体材料中电子的行为提供了重要的参考。随着密度泛函理论的建立，多个第一性原理计算软件被开发出来，可以直接计算材料的能带。但是材料的能带往往非常复杂，使得其物理图像很难被理解。然而，kp模型仅包含少数对物理性质影响较大的能带，并且由于其解析和简洁的哈密顿量形式，使得其在凝聚态物理当中有着举足轻重的作用。此外，当材料加上外磁场时，塞曼耦合哈密顿量中的朗德g因子成为了关键的参数。但是，目前没有软件包通过第一性原理方法直接计算材料的kp模型的参数和塞曼耦合的朗德g因子。
内容简介
最近，中国科学院物理研究所和北京大学研究团队基于第一性原理计算软件开发了VASP2KP开源软件程序包，通过VASP的计算结果自动地构建材料低能有效kp模型和塞曼耦合哈密顿量，以及计算相应的kp参数和朗德g因子。VASP2KP包含两部分：VASP软件补丁vast2mat和后处理python代码mat2kp。vasp2mat可以根据VASP产生的波函数计算广义动量矩阵、自旋矩阵和晶体对称性操作算符的表示矩阵。mat2kp可以系统地生成有效kp哈密顿量和塞曼耦合哈密顿量，并计算kp参数和朗德g因子。我们将VASP2KP应用到一些典型材料，得到的电子有效质量和朗德g因子与实验上符合的较好。
研究意义和重要性
材料科学中kp有效哈密顿方法有着广泛应用，这项工作引起该领域学者的广泛关注，并吸引更多的研究人员使用该软件包来研究材料物理性质。此外，对于没有朗徳g因子实验数据的材料，可以使用该软件包进行理论预测，从而指导实验发现和协助器件设计。
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