~albertog/siesta/merge-OSSO

« back to all changes in this revision

Viewing changes to Docs/siesta.tex

  • Committer: Alberto Garcia
  • Date: 2018-04-20 08:00:21 UTC
  • Revision ID: albertog@icmab.es-20180420080021-5r4toai1blr528i6
Update and fix cold-smearing omissions in manual

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
3785
3785
calculations by means of the inclusion in the total Hamiltonian not
3786
3786
only the Darwin and velocity correction terms~(Scalar--Relativistic
3787
3787
calculations), but also the spin--orbit~(SO) contribution. There are 
3788
 
two approximations regarding the SO formalism: on--site and off--site.
3789
 
Within the on--site only the intra--atomic SO contribution is taken 
3790
 
into account whilst when using the off--site additional neigboring 
 
3788
two approaches regarding the SO formalism: on--site and off--site.
 
3789
Within the on--site approximation only the intra--atomic SO contribution is taken 
 
3790
into account. In the off--site scheme additional neighboring 
3791
3791
interactions are also included in the SO term. By default, the off--site SO 
3792
3792
formalism is switched on, being necessary to change the \fdf{Spin} flag 
3793
3793
in the input file if the on--site approximation wants to be used. See 
3794
3794
\fdf{Spin} on how to handle the spin--orbit coupling. 
3795
3795
 
3796
 
The on--site implementation in \siesta\ has been performed by
 
3796
The on--site spin-orbit scheme in this version of \siesta\ has been implemented by
3797
3797
Dr. Ram\'on Cuadrado based on the original on--site SO formalism and
3798
 
implementation developed by Prof. Jaime Ferrer, \textit{et al}~(L
 
3798
implementation developed by Prof. Jaime Ferrer and his collaborators \textit{et al}~(L
3799
3799
Fern\'andez--Seivane, M Oliveira, S Sanvito, and J Ferrer, Journal of
3800
3800
Physics: Condensed Matter, {\bf 18}, 7999 (2006); L Fern\'andez--Seivane 
3801
3801
and Jaime Ferrer, Phys. Rev. Lett. {\bf 99}, 183401 (2007)).
3802
3802
 
3803
 
The off--site implementation in \siesta\ has been performed by
 
3803
The off--site scheme has been implemented by
3804
3804
Dr. Ram\'on Cuadrado and Dr. Jorge I. Cerd\'a based on their initial 
3805
3805
work~(R. Cuadrado and J. I. Cerd\'a ``Fully relativistic pseudopotential 
3806
3806
formalism under an atomic orbital basis: spin-orbit splittings and 
3810
3810
J. Klemmer and R. W. Chantrell, Applied Physics Letters, {\bf 108}, 
3811
3811
123102 (2016)).  
3812
3812
 
3813
 
The inclusion of the SO term in the Hamiltonian~(and in the Density
3814
 
Matrix) will involve the increase of non--zero elements in their
 
3813
The inclusion of the SO term in the Hamiltonian (and in the Density
 
3814
Matrix) causes an increase in the number of non--zero elements in their
3815
3815
off--diagonal parts, i.e., for some $(\mu,\nu)$ pair of basis
3816
3816
orbitals, H$^{\sigma\sigma'}_{\mu\nu}$~(DM$^{\sigma\sigma'}_{\mu\nu}$)
3817
3817
[$\sigma,\sigma'$=$\uparrow,\downarrow$] will be $\neq$0. This is
3820
3820
In addition, these H$^{\sigma\sigma'}_{\mu\nu}$~(and
3821
3821
DM$^{\sigma\sigma'}_{\mu\nu}$) elements will be complex, in contrast
3822
3822
with typical polarized/non--polarized calculations where these
3823
 
matrices are purely real. Due to this, we encourage that previously to
3824
 
start with a full spin-orbit calculation it has to take special
3825
 
attention to the memory needed to perform it, based mainly in the size
3826
 
of the physical system and hence in the number of orbital
3827
 
involved. Note that for a non--SO calculation the memory will be
3828
 
around thirty percent lower than with SO.
 
3823
matrices are purely real. Since the spin-up and spin-down manifolds
 
3824
are essentially mixed, the solver has to deal with matrices whose
 
3825
dimensions are twice as large as for the collinear (unmixed) spin
 
3826
problem. Due to this, we advise to take special
 
3827
attention to the memory needed to perform a spin-orbit calculation.
 
3828
 
3829
3829
 
3830
3830
Unless explicitly advised the following type of calculation can be carried out 
3831
3831
regardless of whether on--site or off--site approximation is employed: 
3834
3834
  \item Selfconsistent calculations for gamma point as well as for
3835
3835
  bulks.
3836
3836
  %
3837
 
  \item Structure optimizations (only supported by the off--site SO 
3838
 
  formalism).
 
3837
  \item Structure optimizations %% only supported by the off--site SO
 
3838
    %% formalism *** Why ?
3839
3839
  %
3840
 
  \item LDA+U calculations~(See Sect.\ref{sec:lda+u} for further info).
 
3840
  %%% *** Incompatible... \item LDA+U calculations~(See Sect.\ref{sec:lda+u} for further info).
3841
3841
  % 
3842
3842
  \item Magnetic Anisotropy Energy~(MAE) can be easily
3843
 
    calculated. From first principles it is obtained after subtract
 
3843
    calculated. From first principles it is obtained after subtracting
3844
3844
    the total selfconsistent energy calculated for two different
3845
3845
    magnetic orientations. In \siesta\ it is possible to perform
3846
 
    calculations when different initial magnetic ordering is necessary
 
3846
    calculations with different initial magnetic orderings
3847
3847
    by means of the use of the block \fdf{DM.InitSpin} in the fdf
3848
3848
    file. In doing so one will be able to include the initial
3849
3849
    orientation angles of the magnetization for each atom, as well as
3855
3855
  % 
3856
3856
\end{itemize}
3857
3857
 
3858
 
Note: Due to the small SO energy value contribution to the total
 
3858
Note: Due to the small SO contribution to the total
3859
3859
energy, the level of precision required to perform a proper fully
3860
3860
relativistic calculation during the selfconsistent process is quite
3861
3861
demanding. The following values must be carefully converged and
3863
3863
accurate enough: \fdf{SCF.H!Tolerance} during the
3864
3864
selfconsistency~(typically between 10$^{-3}$eV -- 10$^{-4}$eV), 
3865
3865
\fdf{ElectronicTemperature},
3866
 
\textbf{k--point} sampling and high values of
 
3866
\textbf{k}--point sampling and high values of
3867
3867
\fdf{MeshCutoff}~(specifically for extended solids). In general, one
3868
 
can say that a good calculation will have high number of \textbf{k--points},
 
3868
can say that a good calculation will have high number of \textbf{k}--points,
3869
3869
low \fdf{ElectronicTemperature}, extremely small \fdf{SCF.H!Tolerance}
3870
3870
and high values of \fdf{MeshCutoff}.  We encourage the user to test
3871
3871
carefully these options for each system. An additional point to take
3872
3872
into account is the mixing scheme employed. You are encouraged to use 
3873
3873
\fdf{SCF.Mix} \fdf*{hamiltonian} (currently is set up by default) 
3874
 
instead of the density matrix, since it speeds up the convergence. 
 
3874
instead of density matrix mixing, since it speeds up the convergence. 
3875
3875
The pseudopotentials have to be properly generated and tested for each 
3876
 
specific system and they have to be in their fully relativistic form 
 
3876
specific system and they have to be in their fully relativistic form,
3877
3877
together with the non--linear core corrections. Finally it is worth to 
3878
 
mention that the selfconsistent convergence for some non--high symmetric 
 
3878
mention that the selfconsistent convergence for some non--highly symmetric 
3879
3879
magnetizations directions with respect to the physical symmetry axis 
3880
 
could be coumbersome, however    
 
3880
could still be difficult.
3881
3881
 
3882
3882
\begin{fdfentry}{Spin!OrbitStrength}[real]<1.0>
3883
3883
 
3884
3884
  It allows to vary the strength of the 
3885
3885
  spin--orbit interaction from zero to any positive value. It can be
3886
 
  used for both the on--site and off-site SOC flavors.
 
3886
  used for both the on--site and off-site SOC flavors, but only for
 
3887
  debugging and testing purposes, as the only physical value is 1.0.
3887
3888
 
3888
3889
\end{fdfentry}
3889
3890
 
3901
3902
 
3902
3903
\end{fdflogicalF}
3903
3904
 
3904
 
For the off--site SO approximation some mandatory flags have to set 
3905
 
up to \fdffalse\ in the fdf file: 
3906
 
 
3907
 
\begin{fdflogicalT}{PAO!OldStylePolOrbs}
3908
 
 
3909
 
  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
3910
 
 
3911
 
\end{fdflogicalT}
3912
 
 
3913
 
\begin{fdflogicalT}{DM.MixSCF1}
3914
 
 
3915
 
  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
3916
 
 
3917
 
\end{fdflogicalT}
3918
 
 
3919
 
\begin{fdflogicalT}{Restricted.Radial.Grid}
3920
 
 
3921
 
  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
3922
 
 
3923
 
\end{fdflogicalT}
 
3905
% *** The following items should not be relevant.
 
3906
 
 
3907
%%For the off--site SO approximation some mandatory flags have to set 
 
3908
%%up to \fdffalse\ in the fdf file: 
 
3909
 
 
3910
%%\begin{fdflogicalT}{PAO!OldStylePolOrbs}
 
3911
 
 
3912
%%  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
 
3913
 
 
3914
%%\end{fdflogicalT}
 
3915
 
 
3916
%%\begin{fdflogicalT}{DM.MixSCF1}
 
3917
 
 
3918
%%  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
 
3919
 
 
3920
%%\end{fdflogicalT}
 
3921
 
 
3922
%%\begin{fdflogicalT}{Restricted.Radial.Grid}
 
3923
 
 
3924
%%  By default is set up to \fdftrue, however it has to set up to \fdffalse.
 
3925
 
 
3926
%%\end{fdflogicalT}
3924
3927
 
3925
3928
 
3926
3929
 
6309
6312
\begin{fdfentry}{OccupationFunction}[string]<FD>
6310
6313
  
6311
6314
  String variable to select the function that determines the
6312
 
  occupation of the electronic states. Two options are available:
 
6315
  occupation of the electronic states. These options are available:
6313
6316
  \begin{fdfoptions}
6314
6317
    \option[FD]%
6315
6318
    The usual Fermi-Dirac occupation function is used.
6318
6321
    The occupation function proposed by Methfessel and
6319
6322
    Paxton (Phys. Rev. B, \textbf{40}, 3616 (1989)), is used.
6320
6323
 
 
6324
    \option[Cold]%
 
6325
    The occupation function proposed by Marzari, Vanderbilt et. al
 
6326
    (PRL, \textbf{82}, 16 (1999)), is used, this is commonly referred
 
6327
    to as \emph{cold smearing}.
 
6328
 
6321
6329
  \end{fdfoptions}
6322
 
  The smearing of the electronic occupations is done, in both cases,
 
6330
  The smearing of the electronic occupations is done, in all cases,
6323
6331
  using an energy width defined by the \fdf{ElectronicTemperature}
6324
6332
  variable. Note that, while in the case of Fermi-Dirac, the
6325
6333
  occupations correspond to the physical ones if the electronic
6329
6337
  integration of the physical quantities at a lower cost. In
6330
6338
  particular, the Methfessel-Paxton scheme has the advantage that,
6331
6339
  even for quite large smearing temperatures, the obtained energy is
6332
 
  very close to the physical energy at $T=0$.  Also, it allows a much
 
6340
  very close to the physical energy at $T=0$. Also, it allows a much
6333
6341
  faster convergence with respect to $k$-points, specially for
6334
6342
  metals. Finally, the convergence to selfconsistency is very much
6335
6343
  improved (allowing the use of larger mixing coefficients).
6336
6344
 
6337
 
  For the Methfessel-Paxton case, one can use relatively large values
6338
 
  for the \fdf{ElectronicTemperature} parameter. How large depends
6339
 
  on the specific system. A guide can be found in the article by
6340
 
  J. Kresse and J. Furthm\"uller, Comp. Mat. Sci.  \textbf{6}, 15
6341
 
  (1996).
 
6345
  For the Methfessel-Paxton case, and similarly for cold smearing, one
 
6346
  can use relatively large values for the \fdf{ElectronicTemperature}
 
6347
  parameter. How large depends on the specific system. A guide can be
 
6348
  found in the article by J. Kresse and J. Furthm\"uller,
 
6349
  Comp. Mat. Sci. \textbf{6}, 15 (1996).
6342
6350
 
6343
6351
  If Methfessel-Paxton smearing is used, the order of the
6344
6352
  corresponding Hermite polynomial expansion must also be chosen (see
6371
6379
 
6372
6380
\begin{fdfentry}{ElectronicTemperature}[temperature/energy]<$300\,\mathrm{K}$>
6373
6381
  
6374
 
  Temperature for Fermi-Dirac or Methfessel-Paxton
6375
 
  distribution. Useful specially for metals, and to accelerate
6376
 
  selfconsistency in some cases.
 
6382
  Temperature for occupation function. Useful specially for metals,
 
6383
  and to accelerate selfconsistency in some cases.
6377
6384
 
6378
6385
\end{fdfentry}
6379
6386