CP2K专题

CP2K 分子GW准粒子能级

用真实水分子演示G0W0、evGW0与evGW的完整输入、Slurm提交、前置波函数和逐轮能级读取。

更新于 2026-11-08约 15 分钟阅读按任务与环境选择适用配置

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从DFT轨道到准粒子能级，最重要的是区分“基态总能”“单电子能级”和“光学激发能”。本篇用实际水分子演示CP2K的分子G0W0、evGW0与evGW输入、提交和结果提取；积分点数与自能曲线另页讲解数值检查。

1. 下载结果，先提取再画图#

下载分子GW实操包，在新目录解压：

unzip cp2k-molecular-GW-wave296-*.zip
cd cp2k-molecular-GW-wave296
bash preview.sh
bash run.sh

preview/重画参考图，results/data/保存从原生数值表提取的所有选定轨道与迭代，plots/重画四张图，随包figures/可直接看。输出目录受保护，重跑请使用新解压目录。这里使用已分配资源内1个CPU后处理，不重新跑SCF或GW。

实际环境为CP2K2026.2双精度构建，GNU13.3、MPICH5.0.1、CUDA12.9、OpenBLAS0.3.33、ScaLAPACK2.2.3；P100与V10016G上每个原生条件1个MPI进程、1个OpenMP线程。部分步骤走CPU，这里不给出未经同条件对照的GPU加速倍数。后处理用pymatgen/2026.9.24的Python3.11、NumPy2.3.5、Matplotlib3.11.2。

native-tables/只保留实际原生输出中选出的数值表，self-energy/保留完整选定自能曲线的自有CSV，inputs/为完整输入。没有原始二进制WFN或完整运行日志。DATA/是实际使用的CP2K基组与GTH数据，许可见包内LICENSE-CP2K。

2. 三种GW计算改变了什么#

输入	更新内容	本例原生结果
G0W0	使用DFT能级与轨道构造G和W	100点下HOMO −11.2908 eV，LUMO +4.9956 eV
evGW0	更新G中的能级，保持W的构造参照	5轮后HOMO −11.6947 eV，LUMO +5.0776 eV
evGW	更新G和W中的能级	6轮后HOMO −12.1138 eV，LUMO +5.1916 eV

本例后两种方法也保持轨道不变，不是更新整个密度矩阵和轨道的完全自洽GW。原生求解准粒子方程时也会用Newton迭代；那是求一个能级根的内层数值过程，不能把G0W0因此称为evGW。

同一真实水结构与100点下三种方法的选定能级

图中蓝线为选定占据轨道，橙线为空轨道；三种GW的方法对照统一使用100积分点。小基组的正能LUMO属于有限基组中离散化的未束缚态，不能直接据此报告实验电子亲和能。深占据价轨道和较高空轨道仍有明显数值敏感性，见另一页的全部八轨道对照；图中的小数位不是实验精度。

3. 关键输入放在哪里#

GW位于DFT/XC/WF_CORRELATION/RI_RPA/GW中：

&WF_CORRELATION
 &RI_RPA
  QUADRATURE_POINTS 100
  &GW
   SELF_CONSISTENCY G0W0
   CORR_MOS_OCC 4
   CORR_MOS_VIRT 4
   ANALYTIC_CONTINUATION PADE
   NPARAM_PADE 16
   EPS_ITER [eV] 0.001
   RI_SIGMA_X T
  &END GW
 &END RI_RPA
&END WF_CORRELATION

CORR_MOS_OCC=4从HOMO往下选择4个占据轨道，CORR_MOS_VIRT=4从LUMO往上选择4个空轨道，不代表整个基组只有8条轨道。本例有23个基函数、4个占据和19个空轨道；选出的4＋4条被写入准粒子修正表。

RI_SIGMA_X使用RI表示计算交换自能，RI辅助基组也要收敛。不要把同一段RI输入直接套在没有相应辅助基组的KIND上。

4. 提取能级、间隙与迭代#

cat results/data/summary.csv
cat results/data/quasiparticle-levels.csv
cat results/data/iteration-gaps.csv

CSV保留每一轮、每一条选定轨道的原生数值。100点下，G0W0、evGW0、evGW的准粒子HOMO–LUMO差分别为16.2864、16.7723、17.3054 eV。这是当前模型的准粒子间隙，不是含电子–空穴吸引的光学激发能，不能拿它直接与吸收峰比较。

真实evGW0与evGW逐轮间隙及相邻变化

后两种方法都使用EPS_ITER=0.001 eV；原生输出分别在5与6轮结束，最后显示的间隙变化均约0.0002 eV。这里控制的是相邻间隙变化，不意味着每条深能级或全部数值参数都已收敛。

5. 两个容易读错的输出#

后续自洽轮次中，原生表的E_SCF栏实际打印上一轮能级；它不再一直等于最初DFT的数值。提取表把initial_DFT_eV与previous_iteration_eV分别保存。检查准粒子方程时使用对应初始DFT参照和实际自能项，不把上一轮能级再次当作原始DFT能。

本例最后ENERGY| Total FORCE_EVAL仍是前置PBE总能，不是一个“GW基态总能”。不能把选定的准粒子能级相加当总能，也不能用这行与MP2/RPA相关总能混比。

准备自己的计算并提交#

本例固定一个实际优化过的水结构，O–H约0.9701 Å，放在14 Å非周期立方盒中。PBE/GTH-PBE、DZVP-GTH轨道基组、RI_DZVP-GTH辅助基组，电子密度网格300/50 Ry，相关积分网格300/50 Ry，EPS_SCF=1E-6。这是一组小基组教学实例，没有达到完整基组、辅助基组、真空盒或实验精度；尤其空态需要检查弥散基函数。方法与基组建议见CP2K2026.2分子GW说明。

先在新目录准备第一个条件：

mkdir -p my-GW/DATA
cp DATA/HFX_BASIS DATA/GTH_POTENTIALS my-GW/DATA/
cp -r inputs/water-G0W0-q32 my-GW/
cd my-GW/water-G0W0-q32

把以下内容保存为submit.sh，确认自己的账户可以使用对应分区后提交：

#!/bin/bash
#SBATCH --partition=gpu-8p100-hs
#SBATCH --ntasks=1
#SBATCH --cpus-per-task=1
#SBATCH --gres=gpu:p100-16g:1
#SBATCH --time=00:20:00
source /etc/profile
module purge
module load cp2k/2026.2-p100
export OMP_NUM_THREADS=1 MKL_NUM_THREADS=1 OPENBLAS_NUM_THREADS=1
ulimit -s unlimited
cp2k.psmp -i input.inp -o output.log

sbatch submit.sh
grep 'SCF run converged' output.log
grep -A10 'Molecular orbital' output.log
ls -lh WATER-GW-RESTART.wfn

后面的积分点数与方法对照都从这一份匹配的水波函数开始。以64点为例，从资料包根目录执行：

cp -r inputs/water-G0W0-q64 my-GW/
cp my-GW/water-G0W0-q32/WATER-GW-RESTART.wfn my-GW/water-G0W0-q64/seed.wfn
cp my-GW/water-G0W0-q32/submit.sh my-GW/water-G0W0-q64/
cd my-GW/water-G0W0-q64
sbatch submit.sh

先完成前置条件再复制WFN，不用空文件代替。自己的体系改变了元素、结构、晶胞、基组、赝势或自旋后，应重新准备匹配的电子态。XYZ注释中的旧能量来自先前优化轨迹，本篇单点能量读取当前输出，不能从注释取数。

完整输入#

water-G0W0-q32：input.inp与结构

&GLOBAL
  PRINT_LEVEL MEDIUM
  PROJECT WATER-GW
  RUN_TYPE ENERGY
  &TIMINGS
    THRESHOLD 0.01
  &END TIMINGS
&END GLOBAL

&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME ../DATA/HFX_BASIS
    POTENTIAL_FILE_NAME ../DATA/GTH_POTENTIALS
    &MGRID
      CUTOFF 300
      REL_CUTOFF 50
    &END MGRID
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      POISSON_SOLVER WAVELET
    &END POISSON
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
      EPS_PGF_ORB 1.0E-18
      METHOD GPW
    &END QS
    &SCF
      EPS_SCF 1.0E-6
      MAX_SCF 100
      SCF_GUESS ATOMIC
      &PRINT
        &RESTART ON
        &END RESTART
      &END PRINT
    &END SCF
    &XC
      &WF_CORRELATION
        MEMORY 200.
        NUMBER_PROC 1
        &INTEGRALS
          ERI_METHOD GPW
          &WFC_GPW
            CUTOFF 300
            REL_CUTOFF 50
          &END WFC_GPW
        &END INTEGRALS
        &RI_RPA
          QUADRATURE_POINTS 32
          &GW
            SELF_CONSISTENCY G0W0
            CORR_MOS_OCC 4
            CORR_MOS_VIRT 4
            ANALYTIC_CONTINUATION PADE
            NPARAM_PADE 16
            EPS_ITER [eV] 0.001
            RI_SIGMA_X T
          &END GW
          &HF
            FRACTION 1.0000000
            &SCREENING
              EPS_SCHWARZ 1.0E-8
              SCREEN_ON_INITIAL_P FALSE
            &END SCREENING
          &END HF
        &END RI_RPA
      &END WF_CORRELATION
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC [angstrom] 14.0 14.0 14.0
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &KIND H
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
    &KIND O
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &TOPOLOGY
      COORD_FILE_FORMAT xyz
      COORD_FILE_NAME H2O_gas.xyz
      &CENTER_COORDINATES
      &END CENTER_COORDINATES
    &END TOPOLOGY
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

       3
 i =        6, E =       -17.2196938311
  O         5.9999999937        6.0000000000        5.9993806921
  H         5.9999999971        6.7653454490        6.5954871263
  H         5.9999998457        5.2346546213        6.5954872165

water-G0W0-q100：input.inp与结构

&GLOBAL
  PRINT_LEVEL MEDIUM
  PROJECT WATER-GW
  RUN_TYPE ENERGY
  &TIMINGS
    THRESHOLD 0.01
  &END TIMINGS
&END GLOBAL

&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME ../DATA/HFX_BASIS
    POTENTIAL_FILE_NAME ../DATA/GTH_POTENTIALS
    WFN_RESTART_FILE_NAME seed.wfn
    &MGRID
      CUTOFF 300
      REL_CUTOFF 50
    &END MGRID
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      POISSON_SOLVER WAVELET
    &END POISSON
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
      EPS_PGF_ORB 1.0E-18
      METHOD GPW
    &END QS
    &SCF
      EPS_SCF 1.0E-6
      MAX_SCF 100
      SCF_GUESS RESTART
      &PRINT
        &RESTART ON
        &END RESTART
      &END PRINT
    &END SCF
    &XC
      &WF_CORRELATION
        MEMORY 200.
        NUMBER_PROC 1
        &INTEGRALS
          ERI_METHOD GPW
          &WFC_GPW
            CUTOFF 300
            REL_CUTOFF 50
          &END WFC_GPW
        &END INTEGRALS
        &RI_RPA
          QUADRATURE_POINTS 100
          &GW
            SELF_CONSISTENCY G0W0
            CORR_MOS_OCC 4
            CORR_MOS_VIRT 4
            ANALYTIC_CONTINUATION PADE
            NPARAM_PADE 16
            EPS_ITER [eV] 0.001
            RI_SIGMA_X T
          &END GW
          &HF
            FRACTION 1.0000000
            &SCREENING
              EPS_SCHWARZ 1.0E-8
              SCREEN_ON_INITIAL_P FALSE
            &END SCREENING
          &END HF
        &END RI_RPA
      &END WF_CORRELATION
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC [angstrom] 14.0 14.0 14.0
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &KIND H
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
    &KIND O
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &TOPOLOGY
      COORD_FILE_FORMAT xyz
      COORD_FILE_NAME H2O_gas.xyz
      &CENTER_COORDINATES
      &END CENTER_COORDINATES
    &END TOPOLOGY
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

       3
 i =        6, E =       -17.2196938311
  O         5.9999999937        6.0000000000        5.9993806921
  H         5.9999999971        6.7653454490        6.5954871263
  H         5.9999998457        5.2346546213        6.5954872165

water-evGW0-q100：input.inp与结构

&GLOBAL
  PRINT_LEVEL MEDIUM
  PROJECT WATER-GW
  RUN_TYPE ENERGY
  &TIMINGS
    THRESHOLD 0.01
  &END TIMINGS
&END GLOBAL

&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME ../DATA/HFX_BASIS
    POTENTIAL_FILE_NAME ../DATA/GTH_POTENTIALS
    WFN_RESTART_FILE_NAME seed.wfn
    &MGRID
      CUTOFF 300
      REL_CUTOFF 50
    &END MGRID
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      POISSON_SOLVER WAVELET
    &END POISSON
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
      EPS_PGF_ORB 1.0E-18
      METHOD GPW
    &END QS
    &SCF
      EPS_SCF 1.0E-6
      MAX_SCF 100
      SCF_GUESS RESTART
      &PRINT
        &RESTART ON
        &END RESTART
      &END PRINT
    &END SCF
    &XC
      &WF_CORRELATION
        MEMORY 200.
        NUMBER_PROC 1
        &INTEGRALS
          ERI_METHOD GPW
          &WFC_GPW
            CUTOFF 300
            REL_CUTOFF 50
          &END WFC_GPW
        &END INTEGRALS
        &RI_RPA
          QUADRATURE_POINTS 100
          &GW
            SELF_CONSISTENCY evGW0
            CORR_MOS_OCC 4
            CORR_MOS_VIRT 4
            ANALYTIC_CONTINUATION PADE
            NPARAM_PADE 16
            EPS_ITER [eV] 0.001
            RI_SIGMA_X T
          &END GW
          &HF
            FRACTION 1.0000000
            &SCREENING
              EPS_SCHWARZ 1.0E-8
              SCREEN_ON_INITIAL_P FALSE
            &END SCREENING
          &END HF
        &END RI_RPA
      &END WF_CORRELATION
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC [angstrom] 14.0 14.0 14.0
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &KIND H
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
    &KIND O
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &TOPOLOGY
      COORD_FILE_FORMAT xyz
      COORD_FILE_NAME H2O_gas.xyz
      &CENTER_COORDINATES
      &END CENTER_COORDINATES
    &END TOPOLOGY
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

       3
 i =        6, E =       -17.2196938311
  O         5.9999999937        6.0000000000        5.9993806921
  H         5.9999999971        6.7653454490        6.5954871263
  H         5.9999998457        5.2346546213        6.5954872165

water-evGW-q100：input.inp与结构

&GLOBAL
  PRINT_LEVEL MEDIUM
  PROJECT WATER-GW
  RUN_TYPE ENERGY
  &TIMINGS
    THRESHOLD 0.01
  &END TIMINGS
&END GLOBAL

&FORCE_EVAL
  METHOD Quickstep
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME ../DATA/HFX_BASIS
    POTENTIAL_FILE_NAME ../DATA/GTH_POTENTIALS
    WFN_RESTART_FILE_NAME seed.wfn
    &MGRID
      CUTOFF 300
      REL_CUTOFF 50
    &END MGRID
    &POISSON
      PERIODIC NONE
      POISSON_SOLVER WAVELET
    &END POISSON
    &QS
      EPS_DEFAULT 1.0E-12
      EPS_PGF_ORB 1.0E-18
      METHOD GPW
    &END QS
    &SCF
      EPS_SCF 1.0E-6
      MAX_SCF 100
      SCF_GUESS RESTART
      &PRINT
        &RESTART ON
        &END RESTART
      &END PRINT
    &END SCF
    &XC
      &WF_CORRELATION
        MEMORY 200.
        NUMBER_PROC 1
        &INTEGRALS
          ERI_METHOD GPW
          &WFC_GPW
            CUTOFF 300
            REL_CUTOFF 50
          &END WFC_GPW
        &END INTEGRALS
        &RI_RPA
          QUADRATURE_POINTS 100
          &GW
            SELF_CONSISTENCY evGW
            CORR_MOS_OCC 4
            CORR_MOS_VIRT 4
            ANALYTIC_CONTINUATION PADE
            NPARAM_PADE 16
            EPS_ITER [eV] 0.001
            RI_SIGMA_X T
          &END GW
          &HF
            FRACTION 1.0000000
            &SCREENING
              EPS_SCHWARZ 1.0E-8
              SCREEN_ON_INITIAL_P FALSE
            &END SCREENING
          &END HF
        &END RI_RPA
      &END WF_CORRELATION
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT
  &SUBSYS
    &CELL
      ABC [angstrom] 14.0 14.0 14.0
      PERIODIC NONE
    &END CELL
    &KIND H
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q1
    &END KIND
    &KIND O
      BASIS_SET DZVP-GTH
      BASIS_SET RI_AUX RI_DZVP-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE-q6
    &END KIND
    &TOPOLOGY
      COORD_FILE_FORMAT xyz
      COORD_FILE_NAME H2O_gas.xyz
      &CENTER_COORDINATES
      &END CENTER_COORDINATES
    &END TOPOLOGY
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

       3
 i =        6, E =       -17.2196938311
  O         5.9999999937        6.0000000000        5.9993806921
  H         5.9999999971        6.7653454490        6.5954871263
  H         5.9999998457        5.2346546213        6.5954872165

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