超算互联网推出“超链接”最佳实践系列专题，旨在通过HPC软件、AI模型的应用链接科研工作者与AI开发者，分享超算实践经验、模型推理实测教程。 

本篇为“超链接”系列专题的第3篇QE自洽计算最佳实践，您将获得pp.x电荷密度后处理与VESTA可视化展示。

如果您有关于超算应用的创新研究成果、高效计算方法、最佳实践案例或者独到见解想要分享，欢迎投稿或联系报道。

Quantum ESPRESSO的自洽场（Self-Consistent Field，SCF）计算是一种计算物理方法，用于在密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）框架下求解多电子体系的基态性质。SCF计算主要进行以下内容：

1. 电子密度的计算：通过迭代过程确定体系的基态电子密度。

2. 波函数的优化：计算并优化电子的波函数，这是描述电子状态的量子力学函数。

3. 总能量的计算：计算体系的总能量，包括动能、势能和交换-相关能。

本文将详细介绍如何在超算互联网使用Quantum ESPRESSO v7.2版本进行自洽计算实验，使用pp.x做后处理得到电荷密度图，并用VESTA软件进行可视化展示。

步骤1：SCF计算

目前，超算互联网提供预编译的Quantum ESPRESSO 7.2版本，支持一键购买使用。本文实验测试使用intelmpi2021编译的QE 7.2版本：

https://www.scnet.cn/ui/mall/detail/goods?type=software&common1=APP_SOFTWARE&id=1763166063356571649&resource=APP_SOFTWARE&keyword=quantum+espresso+7.2

您可以通过“我的商品”，在“应用软件”中找到或者搜索该版本商品，点击“命令行”，即可选择区域中心、命令行快速使用软件。

软件默认安装在家目录的apprepo下，环境变量默认放在软件scripts目录下的env.sh中，可执行如下命令添加环境变量：

source ~/apprepo/qe/7.2-intelmpi2021/scripts/env.sh

此外，超算互联网还提供软件运行测试算例和slurm作业脚本，用户可以直接提交作业，运行算例。本次实践，我们使用软件case目录下的gan算例做scf计算，输入文件粘贴如下：

针对GaN（氮化镓）材料的自洽场计算输入文件

GaN是一种宽带隙半导体，广泛应用于电子和光电子领域。实验算例设置了体心四方晶格结构，具有两个原子类型（Ga和N），并指定了相应的赝势文件。直接使用case目录下的qe.slurm脚本即可提交作业，使用命令如下：

sbatch  qe.slurm

提交作业后，会提示作业id，使用该作业号，可以查询和跟踪作业情况,以下是两个常用的作业相关命令，其他命令和指导可参考slurm文档或商品对应的使用手册。

1 squeue   #查看作业队列
2 sacct –j <job-id> #查看作业运行情况

等待作业完成后，会在当前目录生成以“gan”（输入文件设置的前缀）开头的文件夹，里面包含了运行结果输出文件，通过查看slurm-.out,可以看到类似如下程序的过程输出，“JOB DONE”表示程序正常计算结束。

步骤2：pp.x后处理，得到电荷密度图

pp.x 是 Quantum ESPRESSO 软件包中的一个程序，其主要目的是数据分析和绘图。该代码执行两个步骤：

1.  读取 pw.x 生成的输出，提取并计算所需的量（电荷密度 rho，势能 V等）

2.  将所需的量以适合各种绘图类型和绘图程序的格式写入文件

   
   

pp.x 提供了一种快捷的方式来分析和理解 pw.x 计算得到的数据，使得复杂的科学数据可以通过图形的方式直观展示，从而帮助研究人员更好地理解材料的电子结构和其他物理特性。若要使用pp.x做处理，需要按照一定的规则制定输入文件，下面是本算例的pp.x输入设置，这个 文件配置了从 pw.x 计算生成的电荷密度文件中提取电子（伪）电荷密度，并将其转换为 XSF 格式的文件 gan.rho.xsf，以便于后续的可视化分析：

关于pp.x输入文件的更多设置，可以参考QE官方文档指导，链接如下：https://www.quantum-espresso.org/Doc/INPUT_PP.html

将上述输入文件保存到pp.in文件，并放置在pw.x的输出文件gan.save同目录下，使slurm提交作业，即可运行后处理计算。slurm作业脚本如下：

程序运行过程输出如下图所示，表示正常执行完毕，并且会在当前目录下生成gan.rho和gan.rho.xsf文件，“.xsf”文件可以用可视化软件绘图。

步骤3：使用VESTA软件进行可视化处理

为了更直观显示，我们推荐用超算互联网的VESTA软件或XCrySDen软件绘制PP后处理得到的“xsf”文件，这里我们选择VESTA软件进行可视化展示，链接如下：

https://www.scnet.cn/ui/mall/detail/goods?type=software&common1=APP_SOFTWARE&id=1815649843946000386&resource=APP_SOFTWARE&keyword=VESTA

购买软件后，点击“去使用”，在命令行添加VESTA环境变量，设置图形桌面的DISPLAY端口号，即可在Linux图形桌面中使用软件。相关命令如下：

Linux图形桌面需要在使用软件前，通过“控制台”-->“图形桌面”-->“Linux图形桌面”，选择与VESTA软件相同的区域，开通后会显示对应的端口号。

首先，打开VESTA软件，通过“File”-->“Open”找到并选择“gan.rho.xsf”文件，即可显示3D电荷密度图。您还可以自由选择“Tools”、“Style”和“Objects”选项显示风格和原子。例如通过调整左侧的“Tools”工具栏，选择“Animation”，可根据不同的轴心演示动画旋转效果。

下图展示了在“Style”选项中“Structural models”同时选择“Show models”和“show dot surface”，风格选择“Stick”;“Volumetric data”选择“show sections”和“Show isosurface”风格为“Dot surface”时的绘图效果。

本文，我们详解了如何在超算互联网使用Quantum ESPRESSO v7.2版本进行自洽场（SCF）计算，通过pp.x模块处理输出数据，以获取电荷密度分布的信息，并借助VESTA可视化软件，将计算得到的电荷密度数据转化为直观的图像，以便于分析和理解电子结构特征。希望本篇最佳实践为您提供一些有价值的信息和实践技巧。

下篇我们将带来 Quantum ESPRESSO实践详解第三篇——QE v7.0基于water算例的运行优化指导。

如果您有关于超算应用的创新研究成果、高效计算方法、最佳实践案例或者独到见解想要分享，欢迎扫描下方二维码投稿或联系报道，让我们共同推动超算互联网的生态发展。

此外，我们创建了“HPC行业交流群”，分享HPC的最新资讯或技术相关的一切话题，我们希望搭建一个同行交流社区，有任何专业技术问题，欢迎入群抛出问题进行探讨。