DebiChem Ab initio calculations packages

ABINIT is a package whose main program allows one to find the total energy, charge density and electronic structure of systems made of electrons and nuclei (molecules and periodic solids) within Density Functional Theory (DFT), using pseudopotentials and a planewave basis.

ABINIT also includes options to optimize the geometry according to the DFT forces and stresses, or to perform molecular dynamics simulations using these forces, or to generate dynamical matrices, Born effective charges, and dielectric tensors. Excited states can be computed within the Time-Dependent Density Functional Theory (for molecules), or within Many-Body Perturbation Theory (the GW approximation). In addition to the main ABINIT code, different utility programs are provided.

This package contains the executables needed to perform calculations (however, pseudopotentials are not supplied). For a set of pseudopotentials, install the abinit-data package.

ACESIII è un programma di calcoli per strutture elettroniche che si focalizza sui metodi correlati. È il successore parallelo di ACESII, e utilizza SIAL (Super Instruction Assembly Language) come infrastruttura di parallelizzazione. Tra le funzionalità sono incluse:

Energie, gradienti analitici e hessiani analitici per i seguenti metodi:

• spin limitato/illimitato o metodo Hartree-Fock open-shell ristretto;
• teoria di perturbazione Moeller-Plesset di secondo ordine (MP2).

Energie e gradienti analitici per i seguenti metodi:

• Coupled-Cluster con singole e doppie eccitazioni (CCSD).

In aggiunta può elaborare energie per i seguenti metodi:

• Coupled-Cluster con singole e doppie eccitazioni e perturbazioni con triple eccitazioni (CCSD(T));
• interazioni di configurazioni quadratiche con singole e doppie eccitazioni (QCISD).

Gli stati eccitati possono essere calcolati dai seguenti metodi:

• interazioni di configurazioni quadratiche con singole e doppie eccitazioni;
• equazioni di movimento per Coupled Cluster (EOM-CC).

Include anche un ottimizzatore interno per geometria di coordinate. Se non sono disponibili gradienti analitici, sono usati gradienti numerici tramite differenze finite.

CP2K is a program to perform simulations of solid state, liquid, molecular and biological systems. It is especially aimed at massively parallel and linear scaling electronic structure methods and state-of-the-art ab-initio molecular dynamics (AIMD) simulations.

CP2K is optimized for the mixed Gaussian and Plane-Waves (GPW) method based on pseudopotentials, but is able to run all-electron or pure plane-wave/Gaussian calculations as well. Features include:

Ab-initio Electronic Structure Theory Methods using the QUICKSTEP module:

• Density-Functional Theory (DFT) energies and forces
• Hartree-Fock (HF) energies and forces
• Moeller-Plesset 2nd order perturbation theory (MP2) energies and forces
• Random Phase Approximation (RPA) energies
• Gas phase or Periodic boundary conditions (PBC)
• Basis sets include various standard Gaussian-Type Orbitals (GTOs), Pseudo- potential plane-waves (PW), and a mixed Gaussian and (augmented) plane wave approach (GPW/GAPW)
• Norm-conserving, seperable Goedecker-Teter-Hutter (GTH) and non-linear core corrected (NLCC) pseudopotentials, or all-electron calculations
• Local Density Approximation (LDA) XC functionals including SVWN3, SVWN5, PW92 and PADE
• Gradient-corrected (GGA) XC functionals including BLYP, BP86, PW91, PBE and HCTH120 as well as the meta-GGA XC functional TPSS
• Hybrid XC functionals with exact Hartree-Fock Exchange (HFX) including B3LYP, PBE0 and MCY3
• Double-hybrid XC functionals including B2PLYP and B2GPPLYP
• Additional XC functionals via LibXC
• Dispersion corrections via DFT-D2 and DFT-D3 pair-potential models
• Non-local van der Waals corrections for XC functionals including B88-vdW, PBE-vdW and B97X-D
• DFT+U (Hubbard) correction
• Density-Fitting for DFT via Bloechl or Density Derived Atomic Point Charges (DDAPC) charges, for HFX via Auxiliary Density Matrix Methods (ADMM) and for MP2/RPA via Resolution-of-identity (RI)
• Sparse matrix and prescreening techniques for linear-scaling Kohn-Sham (KS) matrix computation
• Orbital Transformation (OT) or Direct Inversion of the iterative subspace (DIIS) self-consistent field (SCF) minimizer
• Local Resolution-of-Identity Projector Augmented Wave method (LRIGPW)
• Absolutely Localized Molecular Orbitals SCF (ALMO-SCF) energies for linear scaling of molecular systems
• Excited states via time-dependent density-functional perturbation theory (TDDFPT)

Ab-initio Molecular Dynamics:

• Born-Oppenheimer Molecular Dynamics (BOMD)
• Ehrenfest Molecular Dynamics (EMD)
• PS extrapolation of initial wavefunction
• Time-reversible Always Stable Predictor-Corrector (ASPC) integrator
• Approximate Car-Parrinello like Langevin Born-Oppenheimer Molecular Dynamics (Second-Generation Car-Parrinello Molecular Dynamics)

Mixed quantum-classical (QM/MM) simulations:

• Real-space multigrid approach for the evaluation of the Coulomb interactions between the QM and the MM part
• Linear-scaling electrostatic coupling treating of periodic boundary conditions
• Adaptive QM/MM

Further Features include:

• Single-point energies, geometry optimizations and frequency calculations
• Several nudged-elastic band (NEB) algorithms (B-NEB, IT-NEB, CI-NEB, D-NEB) for minimum energy path (MEP) calculations
• Global optimization of geometries
• Solvation via the Self-Consistent Continuum Solvation (SCCS) model
• Semi-Empirical calculations including the AM1, RM1, PM3, MNDO, MNDO-d, PNNL and PM6 parametrizations, density-functional tight-binding (DFTB) and self-consistent-polarization tight-binding (SCP-TB), with or without periodic boundary conditions
• Classical Molecular Dynamics (MD) simulations in microcanonical ensemble (NVE) or canonical ensmble (NVT) with Nose-Hover and canonical sampling through velocity rescaling (CSVR) thermostats
• Metadynamics including well-tempered Metadynamics for Free Energy calculations
• Classical Force-Field (MM) simulations
• Monte-Carlo (MC) KS-DFT simulations
• Static (e.g. spectra) and dynamical (e.g. diffusion) properties
• ATOM code for pseudopotential generation
• Integrated molecular basis set optimization

CP2K does not implement conventional Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD).

Elk è un codice FP-LAPW (Full-Potential Linearised Augmented-Plane Wave) a tutti gli elettroni. Non includendo pseudo-potenziali, Elk può fornire risultati affidabili di alta precisione e funziona per ogni elemento chimico. Le funzionalità includono:

• basi FP-LAPW con orbitali locali,
• derivata APW radiale corrispondente a ordini arbitrari sulla superficie muffin-tin (super-LAPW, ecc.),
• è permesso un numero arbitrario di orbitali locali (tutti gli stati fondamentali possono essere fatti valenza, per esempio),
• energie totali risolte in componenti,
• sono disponibili funzionali LSDA e GGA,
• molecole isolate o sistemi periodici,
• stati fondamentali trattati con l'equazione radiale di Dirac.

Elk è parallelizzato tramite OpenMP.

ErgoSCF è un programma di chimica quantistica per calcoli su larga scala di campi autocoerenti. Impiega moderne tecniche di scalatura lineare come i metodi multipolari rapidi, l'algebra su matrici gerarchiche sparse, la purificazione di matrici di densità e lo screening efficiente degli integrali. La scalatura lineare è raggiunta non solo in termini di utilizzo della CPU, ma anche di utilizzo della memoria. Usa insiemi di basi gaussiane.

Può calcolare energie single-point per i seguenti metodi:

• teoria Hartree-Fock (HF) ristretta e non ristretta,
• teoria del funzionale della densità (DFT) Kohn-Sham ristretta e non ristretta,
• Full Configuration-Interaction (FCI).

I seguenti funzionali della densità Exchange-Correlational (XC) sono inclusi:

• approssimazione di densità locale (LDA),
• funzionali XC di gradiente corretto (GGA) BLYP, BP86, PW91 e PBE,
• funzionali XC ibridi B3LYP, BHandHLYP, PBE0 e CAMB3LYP.

Ulteriori funzionalità comprendono:

• calcoli di risposta lineare (polarizzabilità ed energie di eccitazione per densità di riferimento ristretto,
• campi elettrici esterni,
• dinamica degli elettroni attraverso Time-Dependent Hartree-Fock (TDHF).

MPQC è un programma di chimica quantistica ab-initio. È specificamente progettato per elaborare molecole in modo altamente parallelo.

Può calcolare energie e gradienti per i seguenti metodi:

• Hartree-Fock (HF) closed shell e Hartree-Fock open shell ristretto;
• teoria del funzionale della densità (DFT);
• teoria perturbativa closed shell di Moeller-Plesset del secondo ordine (MP2).

In aggiunta può calcolare le energie per i seguenti metodi:

• teoria open shell MP2 e closed shell MP2 esplicitamente correlate (MP2-R12);
• teoria perturbativa open shell di secondo ordine (OPT2[2]);
• ZAPT2 (Z-averaged pertubation theory).

Include anche un ottimizzatore interno di coordinate geometriche.

MPQC è costruito sulla base del toolkit SC (Scientific Computing).

NWCHem è un programma per chimica computazionale. Fornisce metodi che sono scalabili sia nella loro capacità di trattare efficacemente vasti problemi di chimica computazionale, sia nell'uso di risorse per elaborazione in parallelo disponibili, dai supercomputer paralleli ad altissime prestazioni ai classici cluster di workstation.

NWChem può gestire:

• Tecniche che coinvolgono la struttura elettronica molecolare usando funzioni di tipo gaussiano per calcoli di molecole con alta precisione
• Tecniche che coinvolgono la struttura elettronica ad onde piane di pseudopotenziale per il calcolo di molecole, liquidi, cristalli, superfici, semiconduttori o metalli
• Simulazioni di dinamica molecolare classica ed ab-initio
• Simulazioni con tecniche miste di chimica quantistica e classica
• Scalabilità parallela fino a migliaia di processori

Caratteristiche incluse:

• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare con derivate analitiche al second'ordine:
• Hartree-Fock ristretta o non ristretta (RHF, UHF)
• Teoria del funzionale densità (DFT) ristretta usando numerosi potenziali di correlazione di scambio, locali, non-locali (corretto con il gradiente) e ibridi (locali, non-locali e HF)
• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare con gradienti analitici:
• Hartree-Fock ristretta a shell aperta (ROHF)
• Teoria del funzionale densità (DFT) non ristretta
• Teoria perturbativa di Moeller-Plesset al secondo ordine (MP2), usando come riferimento RHF e UHF
• Spazio attivo completo SCF (CASSCF)
• Teoria del funzionale densità dipendente dal tempo (TDDFT)
• Metodi che coinvolgono la struttura elettronica molecolare, energia di singolo punto:
• MP2 con approssimazione della risoluzione di integrale identità (RI-MP2) o approccio scalato alla componente spin (SCS-MP2), usando come riferimento RHF e UHF
• Metodi Coupled Cluster con singole, doppie o triple eccitazioni, o triple eccitazioni perturbative (CCSD, CCSDT, CCSD(T)), usando come riferimento RHF e UHF
• Interazione di configurazione (CISD, CISDT e CISDTQ)
• Metodo Coupled Cluster con singole o doppie eccitazioni approssimato al secondo ordine (CC2)
• Ulteriori caratteristiche delle strutture elettroniche molecolari:
• Ottimizzazione della geometria incluse rilevazioni di stati di transizione, vincoli e percorsi di minima energia
• Frequenze di vibrazione
• Equazioni del moto (EOM)-CCSD, EOM-CCSDT, EOM-CCSD(T), CC2, Interazione di configurazione singola (CIS), HF (TDHF) e TDDFT dipendenti dal tempo, per stati eccitati con riferimenti RHF, UHF, RDFT o UDFT
• Solvatazione usando il modello di analisi di tipo conduttore (COSMO) per RHF, ROHF e DFT
• Calcoli ibridi usando il modello ONIOM a due e tre strati
• Effetti relativistici attraverso le approssimazioni tipo Douglas-Kroll ad un elettrone senza spin o con accoppiamento spin-orbita e approssimazione regolare all'ordine zero (ZORA); effetti di accoppiamento spin-orbita ad un elettrone per DFT con potenziali spin-orbita
• Struttura elettronica con onda piana a pseudopotenziale:
• Onda piana a pseudopotenziale (PSPW), Projector Augmented Wave (PAW) o metodi di struttura delle bande per calcolo di molecole, liquidi, cristalli, superfici, semiconduttori o metalli
• Ottimizzazione di geometria o celle unitarie incluse rilevazioni di stati di transizione
• Frequenze di vibrazione
• Potenziali di correlazione-scambio di tipo LDA, PBE96 e PBE0 (ristretti o non ristretti)
• Funzionali SIC, pert-OEP, Hartree-Fock e ibridi (ristretti o non ristretti)
• Pseudopotenziali a conservazione di norma con correzione di semicore di tipo Hamann, Troullier-Martins e Hartwigsen-Goedecker-Hutter
• Grafici per funzioni d'onda, densità, elettrostatica e di Wannier
• Generazione della struttura a bande e della densità di stato
• Dinamica molecolare ab-initio Car-Parrinello (CPMD):
• Dinamica ad energia e temperatura costante
• Integrazione con algoritmo di Verlet
• Vincoli geometrici in coordinate cartesiane
• Dinamica molecolare classica (MD):
• Valutazione dell'energia di singola configurazione
• Minimizzazione dell'energia
• Simulazioni di dinamica molecolare
• Simulazione di energia libera (metodi di termodinamica perturbativa a multistep (MSTP) o integrazione termodinamica a molte configurazioni (MCTI) con opzioni di singola o doppia topologia, campionamento a doppia larghezza, scalatura con spostamento e separazione)
• Campi di forze con potenziale efficace di coppia, polarizzazione al primo ordine, polarizzazione autocoerente, maglia Ewald di particella omogenea (SPME), condizioni periodiche al contorno e vincoli di tipo SHAKE
• Mix quantistico classico:
• Minimizzazioni miste con meccanica quantistica e meccanica molecolare (QM/MM) e simulazioni di dinamica molecolare
• Simulazione di dinamiche molecolari quantistiche utilizzando qualsiasi metodo di meccanica quantistica in grado di restituire gradienti.

OpenMX (Open source package for Material eXplorer) is a program package for nano-scale material simulations based on density functional theories (DFT), norm-conserving pseudopotentials and pseudo-atomic localized basis functions. Since the code is designed for the realization of large-scale ab initio calculations on parallel computers, it is anticipated that OpenMX can be a useful and powerful tool for nano-scale material sciences in a wide variety of systems such as biomaterials, carbon nanotubes, magnetic materials, and nanoscale conductors.

PSI3 è un programma di chimica quantistica ab-initio. È progettato specialmente per calcolare le proprietà di molecole piccole o medie usando tecniche ad alta correlazione.

Può calcolare energie e gradienti con i seguenti metodi:

• Hartree-Fock closed shell e open shell ristretto (RHF/ROHF) (inclusi gli hessiani per RHF);
• teoria perturbativa di Møller-Plesset (MP2) per closed shell;
• Complete Active Space SCF (CASSCF);
• Coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni (CCSD);
• Coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (CCSD(T)) (solo con funzioni d'onda di riferimento non-ristrette (UHF)).

Inoltre può calcolare le energie con i seguenti metodi:

• Hartree-Fock open shell non ristretto (UHF);
• Teoria perturbativa di Møller-Plesset closed/open shell (MP2);
• Teoria MP2 correlata esplicitamente (MP2-R12) per closed shell e teoria MP2 scalata per componente di spin (SCS-MP2);
• Multireference configuration-interaction (MRCI);
• Coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (CCSD(T));
• Coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni con approssimazione del secondo e terzo ordine (CC2/CC3);
• Multireference coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni (MRCCSD);
• Equazione coupled-cluster del moto con singole e doppie eccitazioni closed shell e open shell ristretto (EOM-CCSD).

Le altre funzionalità:

• formato di input flessibile, modulare e personalizzabile;
• calcolo degli stati d'eccitamento con i metodi CC2/CC3, EOM-CCSD, CASSCF, MRCI e MRCCSD;
• ottimizzatore delle coordinate geometriche interne;
• calcoli delle frequenze armoniche;
• proprietà di un elettrone quali momento del dipolo/quadripolo, orbitali naturali, potenziale elettrostatico, costanti di accoppiamento iperfine
• densità di spin;
• utilizzo della simmetria molecolare punto-gruppo per aumentare l'efficienza.

PSI4 è un programma di chimica quantistica ab-initio. È progettato specialmente per calcolare in modo accurato le proprietà di molecole piccole o medie usando tecniche ad alta correlazione. PSI4 è il successore parallelizzato di PSI3 e include molti metodi teorici all'avanguardia.

Può calcolare energie e gradienti per i seguenti metodi:

• Hartree-Fock open shell ristretto, non ristretto e generale ristretto (RHF/ROHF);
• teoria del funzionale di densità open shell ristretto, non ristretto e generale ristretto, incluso density-fitting (DF-DFT);
• teoria del funzionale cumulante di densità (DCFT);
• teoria perturbativa density-fitted di Møller-Plesset per closed shell (DF-MP2);
• teoria perturbativa non ristretta di Møller-Plesset (MP2);
• teoria MP2 orbital-optimized (OMP2);
• teoria perturbativa del terzo ordine di Møller-Plesset (MP3);
• teoria MP3 orbital-optimized (OMP3);
• coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni (CCSD);
• coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (CCSD(T)) (solo con funzioni d'onda di riferimento non-ristrette (UHF));
• equazione coupled-cluster del moto con singole e doppie eccitazioni (EOM-CCSD).

Inoltre può calcolare le energie per i seguenti metodi:

• teoria perturbativa di Møller-Plesset closed/open shell (MP2);
• teoria MP2 scalata per componente di spin (SCS-MP2);
• teoria perturbativa del quarto ordine di Møller-Plesset (MP4);
• teoria perturbativa symmetry-adapted density-fitted (DF-SAPT);
• multireference configuration-interaction (MRCI);
• coupled-cluster density-fitted closed-shell con singole e doppie eccitazioni (DF-CCSD);
• coupled-cluster density-fitted closed-shell con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (DF-CCSD(T));
• coupled-cluster con singole e doppie eccitazioni con approssimazione del secondo e terzo ordine (CC2/CC3);
• teoria multireference coupled-cluster di Mukherjee con singole e doppie eccitazioni (mk-MRCCSD);
• teoria multireference coupled-cluster di Mukherjee con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (mk-MRCCSD(T));
• teoria della costruzione algebrica diagrammatica del secondo ordine (ADC(2));
• interazione quadratica di configurazione con singole e doppie eccitazioni (QCISD);
• interazione quadratica di configurazione con singole e doppie eccitazioni e triple eccitazioni perturbative (QCISD(T));

Ulteriori funzionalità includono:

• formato di input flessibile, modulare e personalizzabile tramite Python;
• calcolo degli stati d'eccitamento con i metodi EOM-CC2/CC3, EOM-CCSD, ADC(2), MRCI e mk-MRCC;
• utilizzo della simmetria molecolare punto-gruppo per aumentare l'efficienza;
• ottimizzatore delle coordinate geometriche interne;
• calcoli delle frequenze armoniche (tramite differenze finite);
• scansioni delle superfici del potenziale;
• correzione del controbilanciamento;
• proprietà di un elettrone quali momento del dipolo/quadripolo, momento del dipolo di transizione, occupazione degli orbitali naturali o potenziale elettrostatico;
• metodi compositi come estrapolazione dell'insieme di base o G2/G3.

Quantum ESPRESSO (prima chiamato PWscf) è una suite integrata di sorgenti per calcoli di strutture elettroniche e modellazione di materiali alla nanoscala. È basato sulla teoria del funzionale densità, sulle onde piane e sui pseudopotenziali (sia a norma conservata, sia ultrasoft, sia PAW).

Tra le funzionalità vi sono:

• calcoli dello stato fondamentale e della struttura delle bande tramite sollecitazioni, forze ed energie totali autocoerenti di onde piane;
• pseudopotenziali a norma conservata e ultrasoft (Vanderbilt) separabili, PAW (Projector Augmented Waves);
• vari funzionali di scambio e correlazione, dalla LDA alle approssimazioni di gradiente generalizzato (PW91, PBE, B88-P86, BLYP) fino a funzionali meta-GGA, di scambio esatto (HF) e ibridi (PBE0, B3LYP, HSE);
• dinamica molecolare Car-Parrinello e Born-Oppenheimer;
• ottimizzazione strutturale che include stati di transizione e percorsi ad energia minima;
• magnetismo non collineare e accoppiamento spin-orbita;
• proprietà di risposta che includono frequenze di fononi e autovettori, cariche efficaci e tensori dielettrici, sezioni d'urto Raman ed infrarossi, spostamenti chimici EPR e NMR;
• proprietà spettroscopiche come l'eccitazione elettronica e le righe K ed L1 nello spettro di assorbimento ai raggi X (XAS, X-ray Absorption Spectra).