Roadmap on methods and software for electronic structure based simulations in chemistry and materials
Volker Blum
(1)
,
Ryoji Asahi
,
Jochen Autschbach
(2)
,
Christoph Bannwarth
,
Gustav Bihlmayer
(3)
,
Stefan Blügel
,
Lori Burns
,
T. Daniel Crawford
(4, 5)
,
William Dawson
(6)
,
Wibe Albert de Jong
,
Claudia Draxl
(7)
,
Claudia Filippi
(8)
,
Luigi Genovese
(9)
,
Paolo Giannozzi
(10)
,
Niranjan Govind
(11, 12)
,
Sharon Hammes-Schiffer
(13)
,
Jeff Hammond
,
Benjamin Hourahine
(14)
,
Anubhav Jain
(15)
,
Yosuke Kanai
,
Paul Kent
(16)
,
Ask Hjorth Larsen
,
Susi Lehtola
,
Xiaosong Li
,
Roland Lindh
,
Satoshi Maeda
,
Nancy Makri
,
Jonathan Moussa
,
Takahito Nakajima
,
Jessica Nash
,
Micael Oliveira
,
Pansy Patel
,
Giovanni Pizzi
,
Geoffrey Pourtois
,
Benjamin Pritchard
,
Eran Rabani
,
Markus Reiher
,
Lucia Reining
,
Xinguo Ren
,
Mariana Rossi
,
H. Bernhard Schlegel
,
Nicola Seriani
,
Lyudmila Slipchenko
,
Alexander Thom
,
Edward Valeev
,
Benoit van Troeye
,
Lucas Visscher
,
Vojtech Vlcek
,
Hans-Joachim Werner
,
David Williams-Young
,
Theresa Windus
1
Duke University [Durham]
2 SUNY - State University of New York at Buffalo
3 FZJ - Forschungszentrum Jülich GmbH | Centre de recherche de Jülich | Jülich Research Centre
4 MolSSI - Molecular Sciences Software Institute [Blacksburg, USA]
5 Virginia Tech [Blacksburg]
6 RIKEN CCS - RIKEN Center for Computational Science [Kobe]
7 HU Berlin - Humboldt-Universität zu Berlin = Humboldt University of Berlin = Université Humboldt de Berlin
8 MESA+ - Institute for Nanotechnology
9 LSIM - Laboratory of Atomistic Simulation
10 Università degli Studi di Udine - University of Udine [Italie]
11 University of Washington [Seattle]
12 PNNL - Pacific Northwest National Laboratory
13 Yale University [New Haven]
14 University of Strathclyde [Glasgow]
15 LBNL - Lawrence Berkeley National Laboratory [Berkeley]
16 University of Warwick [Coventry]
2 SUNY - State University of New York at Buffalo
3 FZJ - Forschungszentrum Jülich GmbH | Centre de recherche de Jülich | Jülich Research Centre
4 MolSSI - Molecular Sciences Software Institute [Blacksburg, USA]
5 Virginia Tech [Blacksburg]
6 RIKEN CCS - RIKEN Center for Computational Science [Kobe]
7 HU Berlin - Humboldt-Universität zu Berlin = Humboldt University of Berlin = Université Humboldt de Berlin
8 MESA+ - Institute for Nanotechnology
9 LSIM - Laboratory of Atomistic Simulation
10 Università degli Studi di Udine - University of Udine [Italie]
11 University of Washington [Seattle]
12 PNNL - Pacific Northwest National Laboratory
13 Yale University [New Haven]
14 University of Strathclyde [Glasgow]
15 LBNL - Lawrence Berkeley National Laboratory [Berkeley]
16 University of Warwick [Coventry]
Volker Blum
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428346
- ORCID : 0000-0001-8660-7230
Ryoji Asahi
- Fonction : Auteur
Christoph Bannwarth
- Fonction : Auteur
Gustav Bihlmayer
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1179256
- ORCID : 0000-0002-6615-1122
Stefan Blügel
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1331478
- ORCID : 0000-0001-9987-4733
Lori Burns
- Fonction : Auteur
Wibe Albert de Jong
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428347
- ORCID : 0000-0002-7114-8315
Claudia Draxl
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428348
- ORCID : 0000-0003-3523-6657
Luigi Genovese
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1200704
- IdHAL : luigi-genovese
- ORCID : 0000-0003-1747-0247
Paolo Giannozzi
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428349
- ORCID : 0000-0002-9635-3227
Jeff Hammond
- Fonction : Auteur
Benjamin Hourahine
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1273522
- ORCID : 0000-0002-7667-7101
Yosuke Kanai
- Fonction : Auteur
Paul Kent
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428350
- ORCID : 0000-0001-5539-4017
Ask Hjorth Larsen
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428351
- ORCID : 0000-0001-5267-6852
Susi Lehtola
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1304274
- ORCID : 0000-0001-6296-8103
Xiaosong Li
- Fonction : Auteur
Roland Lindh
- Fonction : Auteur
Satoshi Maeda
- Fonction : Auteur
Nancy Makri
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428352
- ORCID : 0000-0002-3310-7328
Jonathan Moussa
- Fonction : Auteur
Takahito Nakajima
- Fonction : Auteur
Jessica Nash
- Fonction : Auteur
Micael Oliveira
- Fonction : Auteur
Pansy Patel
- Fonction : Auteur
Giovanni Pizzi
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428345
- ORCID : 0000-0002-3583-4377
Geoffrey Pourtois
- Fonction : Auteur
Benjamin Pritchard
- Fonction : Auteur
Eran Rabani
- Fonction : Auteur
Markus Reiher
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1304284
- ORCID : 0000-0002-9508-1565
Lucia Reining
- Fonction : Auteur
- PersonId : 756565
- ORCID : 0000-0002-7411-7901
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Xinguo Ren
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428353
- ORCID : 0000-0002-3360-2281
Mariana Rossi
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1261236
- ORCID : 0000-0002-3552-0677
- IdRef : 273424742
H. Bernhard Schlegel
- Fonction : Auteur
Nicola Seriani
- Fonction : Auteur
Lyudmila Slipchenko
- Fonction : Auteur
Alexander Thom
- Fonction : Auteur
Edward Valeev
- Fonction : Auteur
Benoit van Troeye
- Fonction : Auteur
Lucas Visscher
- Fonction : Auteur
Vojtech Vlcek
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428354
- ORCID : 0000-0002-2836-7619
Hans-Joachim Werner
- Fonction : Auteur
David Williams-Young
- Fonction : Auteur
Theresa Windus
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1428355
- ORCID : 0000-0001-6065-3167
Résumé
Abstract This Roadmap article provides a succinct, comprehensive overview of the state of electronic structure methods and software for molecular and materials simulations. Seventeen distinct sections collect insights by 51 leading scientists in the field. Each contribution addresses the status of a particular area, as well as current challenges and anticipated future advances, with a particular eye towards software related aspects and providing key references for further reading. Foundational sections cover density functional theory and its implementation in real-world simulation frameworks, Green's function based many-body perturbation theory, wave-function based and stochastic electronic structure approaches, relativistic effects and semiempirical electronic structure theory approaches. Subsequent sections cover nuclear quantum effects, real-time propagation of the electronic structure, challenges for computational spectroscopy simulations, and exploration of complex potential energy surfaces. The final sections summarize practical aspects, including computational workflows for complex simulation tasks, the impact of current and future high-performance computing architectures, software engineering practices, education and training to maintain and broaden the community, as well as the status of and needs for electronic structure based modeling from the vantage point of industry environments. Overall, the field of electronic structure software and method development continues to unlock immense opportunities for future scientific discovery, based on the growing ability of computations to reveal complex phenomena, processes and properties that are determined by the make-up of matter at the atomic scale, with high precision.