VASP与Wannier90计算磁性光学电导

磁性材料的光学响应不只有吸收谱。复光学电导张量可分成对称和反对称部分；后者与磁光响应有关。这篇先演示怎样得到这些分量，不直接把它们称作Kerr或Faraday旋转角。

示例体系与软件#

本例使用鸢算科技集群实际计算的bcc Fe：单原子原胞，固定晶格常数2.87 Å，PBE PAW Fe，ENCUT=550 eV，EDIFF=1E-6，8³Gamma网格，32条自旋子能带。开启SOC与非共线自旋，初始磁矩沿z，未添加磁矩方向约束；这是固定结构的电子响应计算，不是结构优化。

VASP为6.6.1-v100-wannier90，使用NVHPC 25.3/CUDA 12.8；Wannier90/postw90为独立4.0.3，使用Intel oneAPI 2024.2 ifx编译。VASP部分使用V100，Wannier后处理使用CPU。

每个Fe投影s、p、d轨道，计入自旋后共18个Wannier轨道。冻结窗口上限为费米能以上5 eV，外窗口为费米能以上40 eV；设置guiding_centres=true，解纠缠和局域化各最多2000次迭代。独立路径DFT与插值在费米能−8至+2 eV范围内，RMSE为0.0440 eV，最大误差0.1142 eV。这个对照用于判断电子结构插值是否适合本例的低能响应，不能替代响应积分的收敛检查。

工作流：先准备波函数，再计算响应#

下载附件，在两个DFT目录中准备合法Fe POTCAR，回到根目录提交：

sbatch run.sh

脚本依次完成：

1. fe-spinor：自洽SOC计算，保存CHGCAR及Wannier接口文件。
2. 建立18轨道Wannier模型，生成插值所需的检查点。
3. fe-band-check：用本次CHGCAR直接计算高对称路径，对照插值能带。
4. 在20³和40³积分网格分别计算反常霍尔电导和复光学电导。
5. 计算结束后运行附件中的extract_response.py，获得FE-RESPONSE-DATA.json。

module load ase/3.29.0
python extract_response.py

8³网格决定原始DFT波函数的采样；20³、40³是插值之后的布里渊区积分网格。加密后者不会自动弥补原始波函数网格或Wannier子空间的问题。保留自己的原始接口文件；只有HR文件不足以复现这里的全部响应。

计算频率相关电导#

berry = true
berry_task = kubo
berry_kmesh = 40 40 40
fermi_energy = 5.3774878
kubo_freq_min = 0.0
kubo_freq_max = 2.0
kubo_freq_step = 0.05
kubo_adpt_smr = false
kubo_smr_fixed_en_width = 0.1

光子能量从0至2 eV，步长0.05 eV，固定展宽0.1 eV。这是选定近似下的独立粒子带间响应；不要把零频输出当成已包含实际载流子散射和Drude输运的直流电导。

输出文件：

电导文件三列依次是光子能量（eV）、实部和虚部（S/cm）。S表示σS_ab=(σab+σba)/2，A表示σA_ab=(σab−σba)/2；A不是安培单位。若某一非对角对称项不为零，完整σab需要把对应S和A合起来，不能只读取A文件。

20³与40³网格的Re σS_xx在0–2 eV区间最大差为1445.594 S/cm。图中同时画出两种网格，不把本例当成充分收敛的实验拟合。更换展宽也会改变峰形，需要单独检查。

怎样进一步得到磁光旋转#

Kerr与Faraday角还需要光入射方向、磁化方向、介质或薄膜几何、厚度，以及一致单位下的完整复介电/电导张量。先明确采用体材料、薄膜还是多层光学模型，再计算边界条件；不能将σA_xy的实部直接标成“旋转角”。

本例没有加入激子、多体寿命、温度磁涨落或器件层结构。若关心更高能光谱，应扩大经过验证的Wannier能量范围与空带数，而不是只改kubo_freq_max。

跟着输入文件操作#

下载本页附件后，先解压到单独目录。下面的目录名与附件一致。

unzip vasp-properties-batch31-*.zip -d vasp-example-31
cd vasp-example-31
cat README.txt

以下展开的是 calculations/fe-spinor 这一步的真实示例输入。多结构扫描、位移法和多阶段响应仍按正文顺序准备全部任务；改变材料时，结构、元素顺序和方法参数要一起修改。

cd calculations/fe-spinor
ls INCAR POSCAR KPOINTS
nano INCAR

SYSTEM = bccFe spinor Wannier response
ENCUT = 550
PREC = Accurate
EDIFF = 1E-6
IBRION = -1
NSW = 0
ISMEAR = 0
SIGMA = 0.05
LREAL = .FALSE.
LASPH = .TRUE.
ISYM = -1
LSORBIT = .TRUE.
LNONCOLLINEAR = .TRUE.
MAGMOM = 0 0 2.5
LORBIT = 11
LORBMOM = .TRUE.
NELM = 160
ALGO = Normal
NBANDS = 32
NUM_WANN = 18
LWANNIER90 = .TRUE.
LWRITE_SPN = .TRUE.
LWAVE = .TRUE.
LCHARG = .TRUE.

Fe
 1.0000000000000000
    -1.4350000000000001    1.4350000000000001    1.4350000000000001
     1.4350000000000001   -1.4350000000000001    1.4350000000000001
     1.4350000000000001    1.4350000000000001   -1.4350000000000001
 Fe 
   1
Direct
 -0.0000000000000000  0.0000000000000000  0.0000000000000000

Gamma mesh
0
Gamma
8 8 8
0 0 0

关键参数对照：

POSCAR的元素顺序决定POTCAR拼接顺序。Direct表示分数坐标，Cartesian表示笛卡尔坐标；有Selective dynamics时，F/T还限制相应原子的移动。KPOINTS第二行为0通常使用自动网格；显式列表、Line-mode路径和均匀网格用途不同，不能互换来做同一种积分。

这个输入由附件根目录的总脚本组织。按正文为各阶段准备POTCAR后，返回附件根目录提交整个流程：

cd ../..
sbatch run.sh
squeue -u "$USER"

#!/bin/bash
#SBATCH --job-name=fe-response
#SBATCH --partition=gpu-8v100-16g-hs
#SBATCH --nodes=1
#SBATCH --ntasks=1
#SBATCH --cpus-per-task=1
#SBATCH --gres=gpu:v100-16g:1
#SBATCH --time=04:00:00
#SBATCH --output=fe-response-%j.log
set -eo pipefail
source /etc/profile
study_dir="$SLURM_SUBMIT_DIR"
export OMP_NUM_THREADS=1 MKL_NUM_THREADS=1 OPENBLAS_NUM_THREADS=1 OMPI_MCA_coll_hcoll_enable=0 NO_STOP_MESSAGE=1
ulimit -s unlimited
module purge
module load vasp/6.6.1-v100-wannier90
cd "$study_dir/calculations/fe-spinor"
mpirun --bind-to none -np 1 vasp_ncl > stdout.log 2>&1
module purge
module load ase/3.29.0
python "$study_dir/prepare_wannier.py"
module purge
module load wannier90/4.0.3-serial
wannier90.x wannier90 > wannier.stdout 2>&1
module purge
module load ase/3.29.0
python "$study_dir/prepare_bandcheck.py"
cd "$study_dir/calculations/fe-band-check"
module purge
module load vasp/6.6.1-v100
mpirun --bind-to none -np 1 vasp_ncl > stdout.log 2>&1
module purge
module load ase/3.29.0
python "$study_dir/check_bands.py"
python "$study_dir/prepare_response.py"
module purge
module load wannier90/4.0.3-serial
for name in ahc20 ahc40 kubo20 kubo40; do
cd "$study_dir/calculations/$name"
postw90.x wannier90 > post.stdout 2>&1
grep -q 'All done: postw90 exiting' wannier90.wpout
done

作业结束后，在实际VASP输出目录查看最后几步：

tail -n 12 OSZICAR
grep "EDIFF is reached" OUTCAR | tail -n 3
grep "reached required accuracy" OUTCAR
ls -lh CONTCAR

静态计算不要求出现离子优化完成提示；优化任务还要检查最终自由原子力。性质专用输出和后处理仍按正文执行。附件中的参考图与RESULTS文件不会随着你的新任务自动更新。

需要选择后处理软件时，可对照实算教程中的辅助工具表。

下载与参考#

下载输入、运行脚本、提取程序、结果与图片

反常霍尔教程 · Wannier90 Fe响应教程 · postw90输出说明