CP2K原子计算：氦原子的最小基组示例

CP2K除了常用的Quickstep周期计算，还有独立ATOM程序。本例选He的1s²闭壳层，用一个Gaussian基函数演示原子计算输入、电子数、积分方式和总能量读取。

1. 先读实际结果#

下载CP2K原子、批量与力匹配资料包，保存为example.zip：

python3 -m zipfile -e example.zip .
cd cp2k-atom-farming-forcefit
bash results.sh
bash read.sh
bash plot.sh

这几条命令先读取随包保存的真实计算结果。CSV在data/，图片在figures/，完整输入和原生输出分别在inputs/与reference-results/。

图中曲线是这个最小基组模型的解析能量，散点来自CP2K实际计算。它不是精确氦原子基态能量曲线；单函数基组不能用来追求高精度原子能。

2. 完整输入#

cat inputs/analytic-Gaussian/He-GTO/input.inp

&GLOBAL
  PROGRAM_NAME ATOM
&END GLOBAL

&ATOM
  ELECTRON_CONFIGURATION 1s2
  ELEMENT He
  MAX_ANGULAR_MOMENTUM 0
  RUN_TYPE ENERGY
  COULOMB_INTEGRALS ANALYTIC
  EXCHANGE_INTEGRALS ANALYTIC
  &AE_BASIS
    BASIS_TYPE GAUSSIAN
    NUM_GTO 1 0 0 0
    S_EXPONENTS 1.0
  &END AE_BASIS
  &METHOD
    METHOD_TYPE HARTREE-FOCK
  &END METHOD
  &OPTIMIZATION
    EPS_SCF 1.e-12
  &END OPTIMIZATION
&END ATOM

PROGRAM_NAME ATOM决定使用原子程序；ATOM/RUN_TYPE ENERGY决定原子程序内部任务。不要把ATOM写成常规GLOBAL/RUN_TYPE。

S_EXPONENTS 1.0是Gaussian指数，采用原子单位。COULOMB_INTEGRALS ANALYTIC与EXCHANGE_INTEGRALS ANALYTIC使本Gaussian模型采用解析积分。不同基函数类型支持的积分方式不同，不要把这两项直接套到任意Slater输入。

3. 提交#

本例采用集群cp2k/2026.2-8173m，Intel oneAPI 2024.2和Intel MPI构建，CPU路径，不使用GPU。新解压目录中运行：

sbatch run.slurm

脚本依次执行原子、两个FARMING子任务、Ar参考MD和参数拟合。按整节点规则申请56核，最多2个MPI进程、每进程1线程；这是功能教学，不是性能测试。完成后：

bash read.sh work analysis-new
bash plot.sh analysis-new figures-new work

已有结果可直接读取，不必等待CPU队列，也不要把新模拟直接放在登录节点。

底层单进程命令在计算任务中是：

module load cp2k/2026.2-8173m
cp2k.psmp -i input.inp > atom.out

4. 看什么结果#

grep 'Total number of electrons' reference-results/analytic-Gaussian/He-GTO/atom-native.log
grep 'Total Energy ::' reference-results/analytic-Gaussian/He-GTO/atom-native.log
cat data/CP2K-He-analytic-energy.csv

本例电子数2，总能量−2.254697319327 Eh。对归一化单Gaussian指数α，闭壳层RHF模型有E(α)=3α+(2−8√2)√(α/π)，本次计算与该解析式差小于4.2×10⁻¹³ Eh。这是同一个有限基组模型的一致性，不能理解为与精确氦原子能量只有这样的误差。

后续实际原子基组研究应增加基组灵活度，检查径向网格、SCF、基组收敛和目标态。批量比较不同指数，见下一篇FARMING操作。