面向材料模拟的 Wannier 函数软件生态系统

在过去二十年中，随着最大局域化 Wannier 函数的早期发展，利用 Wannier 表示的电子结构模拟技术与软件包生态系统蓬勃发展。该环境包含用于获取 Wannier 函数的代码及其与第一性原理模拟软件的接口，以及数量不断增加的相关后处理软件包。Wannier 函数可针对孤立或扩展系统（晶体与无序系统）获取，可用于理解化学键合、表征电极化、磁化和拓扑，或作为最优基组，在倒易空间中提供高精度插值或在实空间中提供大规模哈密顿量。在这篇综述中，我们总结了基于 Wannier 函数的技术、材料特性和模拟代码的现状，这些成果已向研究界开放，并已良好整合为我们所称的“Wannier 函数软件生态系统”。首先，我们介绍了 Wannier 函数的理论与实际操作，从其广泛的适用领域到使用超越最大局域化的替代方法的高级最小化方法。然后，我们定义了 Wannier 生态系统的概念及其与众多量子模拟引擎和后处理软件包的交互与互操作性。我们重点关注该生态系统所赋能的一些关键特性和能力——从能带插值和大规模模拟到电子输运、Berryology、拓扑、电声耦合、动力学平均场理论、嵌入和 Koopmans 泛函——最后总结了互操作性与自动化的当前状态。