MateriApps LIVE!を用いた計算物質科学!

東京大学物性研究所
加藤岳生

MateriApps LIVE!とはなにか？
• USBメモリから直接ブートできる Linux システム (Debian Live Linux)• Windows、Mac などで利用可• インストール作業なしで物質科学アプリを実行できる• バージョン1.7公開 (2015年7月27日)• MateriAppsで紹介している公開アプリ・ツールを収録• 2015年4月現在：ABINIT, AkaiKKR, ALPS,
CP2K, Feram ,ERmod, GAMESS, Gromacs、OpenMX, Quantum Espresso, SMASH, xTAPP• MateriApps LIVE! サイトからダウンロード可能

本日はこれを使って、第一原理計算と分子動力学の即席実習をします。
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本日のメニュー• MateriApps LIVE!の起動方法の説明• 第一原理計算手法によるバンド計算の実演• 第一原理計算ソフト OpenMX• 入力補助 C-Tools, 可視化 VESTA, フェルミ面XCrysDen• 分子動力学による溶液のシュミレーション• 汎用分子動力学ソフト Gromacs (+ Modylasの紹介)• 可視化 Rasmol• 目標• 普段、数値計算に縁がない人にも、「私にもできそう」と思ってもらうこと。
• 学部生の授業に使えるレベルにまでもっていくこと。

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まずははじめてみましょう• MateriApps Live!が入っているUSBを配布します• すべてのファイルをパソコンの適当な場所にコピーしてください
内容：VirtualBox-*****-OSX.dmg (Mac用のインストーラ)
VirtualBox-*****-Win.exe (Windows用のインストーラ）
MateriAppsLive-1.7-x86_64.ova (64bit版仮想ディスク)
MateriAppsLive-1.7-x86_32.ova (32bit版仮想ディスク)＋マニュアル README.html, github.css• 起動方法は2種類あります
1. Virtual Boxから起動する（本日はこちらを説明）
2. USBを差し込んで再起動する
計算が速いが起動しない時がある

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ネット設定が必要

Virtual Boxからの起動方法（１）• インストーラをダブルクリックしてVirtual Boxをインストール• Windows版：VirtualBox-*******-Win.exe• Mac版：VirtualBox-*********-OSX.dmg• 途中の質問には適当に答える• MateriAppsLive-1.7-x86_64.ova をダブルクリック• Virtual Boxが起動するはず• 起動した画面で「インポート」のボタンを押す• 少し時間がかかるが完了するとマネージャーが起動

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Virtual Boxからの起動方法（２）1. ここを選択
2. 起動ボタンを押す
起動中は操作不要

まれに古いパソコンで起動しない場合がある。そのときは"MateriAppsLive-1.7-x86_32.ova (32bit版)をダブルクリック
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Virtual Boxからの起動方法（３）
しばらくするとログイン画面がでます
ホップアップが出るが☓を押すと消える

下記の情報を使ってログインしてください

ユーザー名
user
パスワード
live

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Virtual Boxからの起動方法（４）
下記の画面がでれば、成功です
重要なボタン
スタートメニュー・Linuxと呼ばれるOSが起動
・独特な動作をするが、基本的にはWindowsのように直感的な操作が可能

左からファイルマネージャー、Webブラウザ
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日本語キーボードの認識• 日本語キーボードの場合「＠」などが正しく打てません• 「スタートメニュー」→「Accessories」→「LXTerminal」• 端末が立ち上がるので「setxkbmap -layout jp」と入力しリターンを押す• ＠が正しく入力できることを確認

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第一原理計算をしてみましょう• 電子状態計算（いわゆる第一原理計算）• 密度汎関数法に基づく計算。バンド計算のほうが通りがいい？
• 計算できる量は多岐にわたる：エネルギー、磁化・電気分極、バンド構造、結晶構造や磁気構造、各種生成エネルギー、光学スペクト
ル、X線スペクトル、・・・• 非常に多くのアプリケーションが存在する• VASP：もっとも普及しているアプリ。擬ポテンシャル法。有償。
• Wien2k：全電子計算手法。精度が高い。有償。
• OpenMX：物性研究所の尾崎泰助先生が中心となって開発。
擬ポテンシャル法。無償。
MateriApps Live!に収録されている。
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今回行う計算の手順• 結晶構造のデータ(cifファイル)をデータベースからもってくる• cifファイルをOpenMXの入力ファイルに変換する• OpenMXを実行する• でてきた結果を可視化する• ３次元電子密度プロファイル：VESTA• フェルミ面：XCrysDen

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結晶構造データの取得• 「スタートメニュー」→「MateriApps」→「Database」• 物材機構のMaterial Naviが立ち上がります• はじめて利用する場合は下記の手順で登録（いつも使うOSのブラウザでOK）• 右にある「新規ユーザ」中の「新規ユーザ登録」を押す• 「同意する」を押す• 必要事項を入力して登録ボタンを押す• メールが来るのを確認• Liveにもどり、MatNaviの「無機材料データベース(AtomWork)」をクリック• ログインボタンを押す• ユーザ名（メールアドレス）と設定したパスワードを入力
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データベースの画面
うまくいくと、下記の検索画面がでます

使い方は簡単１．検索したい物質の元素名を列挙
例：PbTiO_3 → Pb Ti O
(元素の間はスペースをあける)
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２．「Search materials」を押す

ダイアモンドの結晶構造(1)「C」をキーワードとして検索すると下記の画面がでる

ダイアモンドここをクリック
たくさんでてくるのは結晶構造の違い
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ダイアモンドの結晶構造(2)いろいろなデータがでてくる
Data Typeに「Structure」とかいてあるものならなんでもいいので、選択する。
ここでは一番上のデータを選ぼう

すると上のようなデータがでてくる
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ダイアモンドの結晶構造(3)一番下に結晶構造データがある
このボタンを押すとcifファイルがダウンロードされる
初回はホップアップの注意がでる
注意の右側の「Preferences」を押し「Allow pop-ups ….」を選択し、再度(CIF)のボタンを押す

cifファイルとは？
・Crystallographic Information File・ユニットセル・対称性・原子位置などの情報を含む
・VESTAを始めとして多くのソフトで可視化することができる
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ダイアモンドの結晶構造(4)
画像から５文字入力＋規約確認チェック＋「download」ボタンを押す→「Save」を選択→ダウンロードがはじまる
ちゃんとダウンロードされたか確認しよう

ファイルマネージャーを起動

ダブルクリック

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名前をCdia.cifに変えておく
ファイル選択→「Edit」→「Rename」

ファイルの変換• スタートメニュー→「MateriApps」→「C-Tools」→起動画面がでてくる• 「load」→ファイルのタイプをCrystal sturcture file(*.cif)にする• 「Downloads」フォルダ中にあるさきほどダウンロードしたファイル（名前変えていればCdia.cif）を選択• 上図のような画面がでれば成功
マウスでグリグリできます• 「save」→ファイルのタイプをOpenMX input file(*.dat)にする• 上のLook in:のよこの欄をクリックし「/home/user」を選択（ホームにする）
ファイル名を「Cdia.dat」をしてセーブ（下図）
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OpenMXの実行• スタートメニュー→「Accessories」→「LXTerminal」• 「openmx Cdia.dat」とうち、リターン（上図）• 計算がはじまる（２分程度）→正常に終了すれば下図のようになる

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計算結果をみてみよう• スタートメニュー→「Education」→「VESTA」（可視化ソフト）• VESTAのなかで「file」→「Open」→「Cdia.dat.tden.cube」を選択→「Open」ボタンを押す→なにか表示されたら成功• 更に「Object」→「Properties」→「Isosurface…」を選択
左図のようなボックスがでる。図の赤丸の部分をクリックし、0.1に変更 OK押す
• 更に「Object」→「Boundary」を選択
右図のようにx,y,zの(min)をぜんぶ-1.25に、maxをぜんぶ1.25に変更 OK押す

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このようなグラフができる（マウスで動かせる）

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さらに頑張ればこんな図に仕上げることもできる

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電子密度の計算例をもうひとつ有名な誘電体（バンド絶縁体）であるPbTiO3をみてみよう

高温相（常誘電）低温相（強誘電）MateriApps,2013-2015. All rights reserved.

結果だけ見せます
Spring-8による実験

高温相
低温相

よく見ると擬ポテンシャル法であることが分かる
MacBookPro late-2012, 2.9GHz Core i7
高温相：２２分

低温相：５０分

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http://www.spring8.or.jp/wkg/BL02B2/solution/lang/SOL-0000001270

物性理論屋としてはフェルミ面もみたい
http://www.phys.ufl.edu/fermisurface/	フェルミ面は金属物性の基本
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Cuの電子状態計算（おさらいも兼ねて）• 結晶構造ファイル(cifファイル)を取ってくる• C-Toolsで変換をする。このとき図のようにUDF setupタブの「Calculation_Type」オプションを「DOS」にする
セーブするファイル名はなんでもいいが、ここでは「Cu.dat」とする• OpenMXで実行（Lxterminalでopenmx Cu.datをうって実行, ８分程度かかる）• スタートメニュー→「Education」→「XCrysDen」• XCrysDenが起動するので、そこで「file」→「Open Structure …」→「Open BXSF (i.e. Fermi Surface Files)」→「Cu.dat.FermiSurf0.bxsf」を選択

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フェルミ面の出力• フェルミエネルギー入力の画面があるが、デフォルトの値のままOKを押す• 新たに３つのウィンドウが開く。そのうち「BARGraphウィンドウ」はエネルギーの低いバンドからバンド許容帯が示してある。今の場合、６番目のバンドのみ、赤い水平な点線で示しているフェルミエネルギーと交差している（左図）• よって「Select bandsウィンドウ」で「Band number: 6」を選択（全部選択して、あとから選ぶことも可能）• 新たなウィンドウにフェルミ面が表示される（右図）

マウスでグリグリ回せます
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もっと精度よく計算するためには精度を上げる

k点の数を増やす

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MateriAppsとはなにか？
物質科学シミュレーションのポータルサイト
・物質科学に関連する多くの計算アプリを紹介
・現在151のアプリを掲載
・タグによる検索機能
・フォーラムを開設可
・事例紹介記事の掲載
・講習会情報の掲載

2013年5月に開設「MateriApps」で検索
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平均月間5000PV
平均月間1100ユーザ

MateriApps掲載アプリケーション
151の物質科学アプリケーションやツールを紹介 (2015年7月現在)
密度汎関数法

量子化学

分子動力学

格子模型

AkaiKKR☆

FMO☆

MODYLAS☆

ALPS☆

OpenMX☆

SMASH☆

Gromacs☆

DSQSS

xTAPP☆

GAMESS☆

ERmod☆

BLOCK

ABINIT☆

DC☆

MDACP

DMRG++

...

(37)

...

(19)

連続体シミュレーション

(8)

...

(16)

(21)

データ解析

可視化

phonopy☆ (25)

TAPIOCA☆ (28)

CLUPAN☆

ANSYS Multiphysics
Octa ...

...

fu☆

☆ MateriApps LIVE! 収録 ( 一部予定 ) アプリ
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MateriApps活動の目的
・開発者側の問題点―有益なプログラムはもっと使われるべきだが、多くのソフトは研究室内にとどまって終わる―公開・情報発信には手間がかかる―アプリ開発を成果として主張しにくい(指標がない)

両者をつなぐ役割を果たしたい
・利用者側の問題点―どんなプログラムがあるのかよくわからない―インストール・使い方について知りたい―開発者の活動(特に講習会情報)をもっと知りたい
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アプリケーション普及の３本柱・アプリの情報発信―ポータルサイトMateriApps

・スパコン上でのアプリ利用の支援―「京」や汎用スパコンへのアプリのプレインストール

・個人・研究室レベルでのアプリ利用の支援―MateriApps LIVE! (本講演のメイン)

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教育活動の重要性• 地味ではあるが教育活動が重要Øとにかくユーザを増やすことが重要（アプリ普及のためにも、スパコンの応用利用の観点からも）Øアプリケーション普及の鍵となるのが授業や研究室での利用Ø大学教員としても、学部生・大学院生にアプリを利用した数値計算のスキルを伝授して社会にでていってもらいたいØ単にアプリを「ブラックボックス」とせず、中でどのような計算が行われているかをしっかりと教えるべき（大学が重要な役割）• 実際にデモを準備してつくづく感じたこと• 開発者はもっと利用者のことを考えるべきだ（使って欲しいなら）MateriApps,2013-2015. All rights reserved.

MateriApps Live!の利点と欠点• 利点• 下記の手間を解消できる• インストールの壁：インストールの手間（しばしば困難）• 実行までの壁：入力ファイル準備の手間（しばしば困難）• 特に教育活動への利用が期待できる• 欠点• 実行速度が遅い• まだ入力ファイル準備・結果の解析・可視化の簡易化に多くの課題を含む（開発者へのフィードバックが必要）
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MateriApps クレジット• 運営:
計算物質科学イニシアティブ (CMSI)、東京大学物性研究所 (ISSP)、自然科学研究機構分子科学研究所 (IMS)、東北大学金属材料研究所 (IMR)、
計算物質科学イニシアティブ(CMSI)広報小委員会• MateriApps 開発チーム
藤堂眞治 (東大理/ISSP)、五十嵐亮 (CMSI-ISSP)、吉澤香奈子 (CMSI東大理)、 加藤岳生 (ISSP)、川島直輝 (ISSP)、小西優祐 (CMSI-産総研)、笠松秀輔 (ISSP)、 野田真史 (CMSI-IMS)、河津 励 (CMSI-横国大)、寺田弥生 (CMSI-IMR)、(委託) 吉見一慶、佐々木翔一、土田成宏• 協力:
CMSI元素戦略拠点、東京大学物性研究所 計算物質科学研究センタ
ー、自然科学研究機構 分子科学研究所 計算分子科学研究拠点、東北大学金属材料研究所 計算材料科学研究拠点
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