半经验方法aTB简介

Warm_Cloud

        基于原子密度的紧束缚方法（atomic density based tight-binding，aTB）是张英峰等人开发的一种半经验方法，是目前流行的DFTB、GFN-xTB之外的另一种紧束缚模型。该方法利用由密度拟合形式表示的电子密度构建零级哈密顿量，因此也被称作aTB。该半经验方法支持从氢（H）到镭（Ra）一共88种元素，其基态的计算支持到二阶解析导数，激发态的计算支持一阶解析导数。aTB可用于计算包含主族元素和过渡金属的分子的结构、振动频率、分子间相互作用以及激发态。可以计算超过3000个原子的体系，在精度和速度方面略优于GFN-xTB。而相比于DFT，aTB则要快2000倍左右。

    文章作者：张英峰*，肖进，王舜禹，朱通*，张增辉*

    文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.4c01694?ref=pdf

    相关理论方法和计算结果的中文介绍见：https://mp.weixin.qq.com/s/d7uW4Zg2Hh41Z5biGd4vCw

   

       aTB可以在张英峰开发的免费量子化学软件Amesp（软件网站：www.amesp.xyz）中使用。使用方法简单，直接写关键词atb即可：

% npara 4

! atb opt freq

>xyz 0 1

C             -0.99354842    0.23870967    0.00000000

H             -0.63689400   -0.77010033    0.00000000

H             -0.63687558    0.74310786    0.87365150

H             -0.63687558    0.74310786   -0.87365150

H             -2.06354842    0.23872286    0.00000000

end

       若使用了Amesp和aTB，请引用以下文章：

(1) Yingfeng Zhang, Jin Xiao, Shunyu Wang, Tong Zhu, and John Z. H. Zhang. Journal of Chemical Theory and Computation 2025 21 (7), 3410-3425

(2) Zhang, Y. F. Amesp: Atomic and molecular electronic structure program. Electron. Struct. 2024, 6 (3), No. 037002.

        aTB支持1-88号元素的基态（如能垒、分子间相互作用）和激发态计算（如吸收和发射UV-vis谱和ECD谱等），支持隐式溶剂模型，支持解析一阶和二阶导数，能够进行几何优化，过渡态搜索，振动分析以及从头算分子动力学模拟等。整体精度略好于GFN-xTB。而相比于DFTB和GFN-xTB，aTB方法有着以下的优势：

（1）aTB的参数覆盖了更广泛的元素范围，其基态和激发态参数均支持到镭（Ra），而GFN-xTB支持到氡（Rn），专门用于激发态计算的sTDA-xTB支持到砹（At）。使用DFTB需要复杂的参数文件，且其参数覆盖范围远不如aTB广泛。

（2）aTB支持解析二阶导数，而GFN-xTB不支持，这使得aTB能够更精准、更快速地计算二阶导数，用于热力学计算以及过渡态搜索。

（3）激发态方面，aTB支持解析一阶导数，能够快速完成大体系的激发态几何结构优化工作，而sTDA-xTB不支持。

（4）aTB方法在Amesp软件中实现，支持过渡态搜索、背景电荷（点电荷与高斯电荷）和匀强电场，以及它们的一阶和二阶导数，这些功能都是xtb软件所不具备的。

lanthanum

如果能以aTB为基础，将类似crest的构象搜索功能集成到Amesp中，就更强大了。

Warm_Cloud

lanthanum 发表于 2025-4-10 21:19
如果能以aTB为基础，将类似crest的构象搜索功能集成到Amesp中，就更强大了。

安排~

cokie

刚看完那篇JCTC，就有介绍贴了

Stardust0831

大师太伟大了

Solitude198

请问老师有打算做pythonAPI接口吗，类似于xtb这种，给大佬跪了
https://github.com/grimme-lab/xtb-python

丁越

Solitude198 发表于 2025-4-10 23:15
请问老师有打算做pythonAPI接口吗，类似于xtb这种，给大佬跪了
https://github.com/grimme-lab/xtb-python

https://github.com/DYang90/PyAmesp/tree/master

exity

原来是拥有JCTC的强者。啊！好刺眼！不行，太亮了。

akakcolin

我粗看了一下公众号的公式，整体看起来和DFTB很像，主要区别是排斥势部分吧，用单元素的参数构造，这也是GFN-xTB的处理方式，不知理解的对不对

Warm_Cloud

akakcolin 发表于 2025-4-11 09:43
我粗看了一下公众号的公式，整体看起来和DFTB很像，主要区别是排斥势部分吧，用单元素的参数构造，这也是GF ...

H0和DFTB都是用了双中心近似，细节很不一样，也没有元素对儿的东西。排斥部分用到了GFN-xTB的方式。

wzkchem5

Warm_Cloud 发表于 2025-4-11 10:33
H0和DFTB都是用了双中心近似，细节很不一样，也没有元素对儿的东西。排斥部分用到了GFN-xTB的方式。

所以你文章这里的three-center two-electron integral其实指的是three-index integral？前面说有three-center integral，后面又说做了two-center approximation，感觉有点容易误解。。。

In the programming implementation, I2 invokes the module
for three-center nuclear attraction integrals, I3 invokes the
module for three-center two-electron integrals, and I4 invokes
the module for three-center overlap integrals. Due to the use of
the two-center approximation, only centers A and B need to be
calculated.

Warm_Cloud

wzkchem5 发表于 2025-4-11 11:24
所以你文章这里的three-center two-electron integral其实指的是three-index integral？前面说有three-ce ...

积分用到了三中心积分的代码，实际上是只有两个中心参与，指标也是两个中心。

卡开发发

丁越 发表于 2025-4-11 08:38
https://github.com/DYang90/PyAmesp/tree/master

这个和xtb的接口还是有些区别，毕竟每次调用还是会有内存上的分配释放和初始化的问题，但暂时可能解决不了。

Uus/pMeC6H4-/キ

大师，未来aTB的推广有什么打算，比如可以期待在CP2K等其他软件也来实现么？

在跑周期性水溶液体系的从头算分子动力学模拟时，DFTB和xTB系列方法有个已知的缺点是对水结构和密度的描述比较糟糕，经常出现NVT系综下产生空泡、NPT系综下盒子明显收缩乃至SCF不收敛等等奇怪的问题（比如google group上这条和这条讨论，本论坛里也有过几个帖子提及）。不知道aTB能否比其他半经验方法更准确地复现水的结构，如果真能那无疑具有重要实践意义。

……甚至大体系激发态的非绝热动力学也可能挑战一下？天哪

Warm_Cloud

Uus/pMeC6H4-/キ 发表于 2025-4-17 14:40
大师，未来aTB的推广有什么打算，比如可以期待在CP2K等其他软件也来实现么？

在跑周期性水溶液体系的从 ...

未来aTB的推广当然主要是做好Amesp。目前版本的aTB做水不见得比xTB和DFTB更好，但是可以试试拟合专用的参数。激发态非绝热动力学有兴趣做。