Electronic Structure编辑优选：低维物质准粒子能量的高效计算方法（综述）
本篇研究来自大连理工大学高威帷和赵纪军课题组。本文总结了代表性的GW准粒子能量计算的数值方法，归纳了这些方法的出发点、设计思路和它们在零维及二维材料计算研究中的应用。
文章介绍
通讯作者：
- 高威帷，大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室
- 赵纪军，大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室
GW近似是一类基于量子多体微扰理论的成熟的计算方法，能够以较可靠的精度（约0.1到0.2电子伏特）计算弱关联物质体系的电子结构性质，被广泛应用于物质准粒子性质的定量计算。近20年来，随着石墨烯、团簇和纳米线等低维体系的成功制备和应用，科学界和工业界对低维物质体系的基本性质和应用产生了强烈兴趣，GW近似计算方法也因此被应用于低维物质体系的计算模拟研究中。因为GW近似方法的计算量大（其计算复杂度高于常用的密度泛函理论方法），科学家们提出了许多新的数值计算方法，用于提升GW方法的计算效率，尤其是应用于低维体系计算研究中。
基于近期的相关研究进展，作者在这篇综述中主要介绍了：
1. 物质中准粒子的概念，准粒子能量的GW近似计算方法如何从Hedin方程组得到。
2. 基于GW近似的第一性原理计算方法的基本计算流程和相关的基本概念。
3. 几类主流的GW计算软件的实现方法，它们的优劣势。这几种方法包括：
4. 针对低维物质的计算研究，新发展出来的一些计算技巧和算法等：
5. 不同GW计算方法的验证，包含GW计算结果的数据库，以及机器学习加速算法等。
这些数值方法的发展和应用不仅显著提升了材料激发态性质的计算效率，同时也有望拓展到计算凝聚态物理和计算化学科学的其他领域。
图1.（a）GW近似方法计算的分子的电离能和电子亲和能与实验测量值的比较；（b）采用PBE的密度泛函理论计算结果与实验值的比较。
图2. One-shot GW计算的基本流程图
研究背景：
基于GW近似的准粒子性质计算方法可以较可靠的精度（0.1~0.2 eV）计算弱关联物质体系的电子结构性质，最近被广泛的应用于计算研究固体和低维体系，如团簇、分子、二维材料等。由于GW近似方法的计算复杂度高、计算量大，近年来涌现了许多新的数值计算方法，被用于提升GW方法的计算效率。本文总结了代表性的数值方法，归纳了这些方法的出发点、设计思路和它们在零维及二维材料计算研究中的应用。
作者介绍
高威帷 副教授
大连理工大学
- 高威帷，大连理工大学物理学院副教授。从事计算凝聚态物理学的研究，专注于单粒子激发态性质的计算理论和算法开发。
赵纪军 教授
大连理工大学
- 赵纪军，大连理工大学物理学院院长，三束材料改性教育部重点实验室主任。主要研究领域为低维凝聚态物理学、计算材料学，发表SCI论文660余篇，总引用数25000余次，H因子75，入选全球顶尖科学家终身影响力榜单前18000名（应用物理学科398名）。
期刊介绍
- Electronic Structure（EST）是一本新发表的多学科期刊，覆盖电子结构研究的理论和实验工作，包括新方法的开发。EST是第一本致力于服务电子结构领域的期刊，涵盖材料学、物理学、化学和生物学。除了原创性研究外，EST还发表专题综述、专刊和技术笔记。