离线安装量子化学软件Dalton

Dalton是一款开源免费的量子化学程序，主要特色是支持一大堆性质的计算，例如DFT下的二次响应计算（常规TDDFT计算仅是线性相应），MCSCF波函数下的核磁NMR计算等等，以及各类激发态方法。当然，也有一些高精度单参考方法（如MP2-R12和CCSD-R12等），但较少用到。其PDF手册在

https://daltonprogram.org/documentation

可下载。本公众号前期也推出过相关教程《Dalton使用——磷光及其相关过程》。本文主要介绍如何离线安装Dalton。

安装前提：cmake>=3.1。机子上需装有C、C++和Fortran编译器，BLAS和LAPACK数学库。若想要MPI并行，还需提前安装任一种MPI（如openmpi或Intel MPI）。

笔者撰文时用的是cmake 3.21、Intel 2019 update 5（内含icc, icpc和ifort编译器和MKL数学库），这些前提都满足。若读者机子未安装过Intel全家桶，对于2019或2020版本，可在如下几处

http://bbs.keinsci.com/thread-21841-1-1.html
http://bbs.keinsci.com/thread-12118-1-1.html

下载到压缩包。对于2021版本，可阅读《Linux下安装Intel oneAPI》。笔者安装的是利用MKL库的OpenMP并行版Dalton，无需任何MPI。

1. 下载源码

到Dalton的GitLab主页

https://gitlab.com/dalton/dalton/-/releases

下载Dalton源码。笔者下载的压缩包是dalton-Dalton2020.0.tar.gz。注意Dalton还依赖于其他库，若按这种方式下载，解压后external/目录下只有三个空文件夹，因此我们还需下载对应的三个库。这也很简单，到Dalton主页（https://gitlab.com/dalton/dalton）一看便知

点击external，再依次点击三个库，分别下载即可

笔者下载下来的是

gen1int-1e4148ecd676761b3399801acba443925a1fee6b.tar.gz
pelib-public-2c5aa38e391c6b2a3b4a07daa7459cbaad25ef7c.tar.gz
qfitlib-1acdc9863fdeae2cdbc7f5a599413257a095b8ad.zip

2. 安装

解压

tar -zxf dalton-Dalton2020.0.tar.gz
cd dalton-Dalton2020.0/external/

将下载好的三个库复制至此目录下，解压，重命名文件夹

（复制过程略）

tar -zxf gen1int-1e4148ecd676761b3399801acba443925a1fee6b.tar.gz
tar -zxf pelib-public-2c5aa38e391c6b2a3b4a07daa7459cbaad25ef7c.tar.gz
unzip qfitlib-1acdc9863fdeae2cdbc7f5a599413257a095b8ad.zip
rm -rf gen1int pelib qfitlib
mv gen1int-1e4148ecd676761b3399801acba443925a1fee6b gen1int
mv pelib-public-2c5aa38e391c6b2a3b4a07daa7459cbaad25ef7c pelib
mv qfitlib-1acdc9863fdeae2cdbc7f5a599413257a095b8ad qfitlib
rm -rf *.gz *.zip

这三个库会在编译Dalton时自动被检测并编译，因此这里我们直接到上级目录编译Dalton即可

cd ..
./setup --fc=ifort --cc=icc --cxx=icpc --mkl=parallel --prefix=/home/$USER/software
cd build
make -j16
make install

其中prefix指定存放可执行程序的路径，可按自己的偏好修改。此处笔者编译的不是MPI版本，而是利用了MKL库的OpenMP版，适用于节点内并行，适合单个节点核数比较多的情况。-j16表示用16核并行编译，读者请根据自己机子实际情况修改。16核编译耗时约3 min，完成后可在/home/$USER/software/dalton/目录下看到生成的可执行文件。

3. 配置环境变量和测试

在~/.bashrc文件中设置临时文件路径和并行核数等

export PATH=/home/$USER/software/dalton:$PATH
export DALTON_TMPDIR=/scratch/$USER
export OMP_NUM_THREADS=16

然后执行source ~/.bashrc使之生效。这些路径仅为笔者偏好，读者可自行修改。接着进行测试，即在build文件夹下执行

ctest

该版本有526个测试例子，笔者用16核耗时约2小时。大多数例子都能正常通过，有27个例子Failed，屏幕有输出信息供自己检查，看起来没什么问题。至此，原文件夹dalton-Dalton2020.0已经没用了，可以删掉。如果Dalton使用过程中有任何问题，可以到https://gitlab.com/dalton/dalton/-/issues提问。

4. 随便算个CCSD(T)做测试

我们做一个水分子的CCSD(T)/cc-pVTZ计算，与高斯的结果进行对比。一般而言Dalton需要至少2个输入文件，展示如下：

h2o.dal文件内容

**DALTON INPUT
.RUN WAVE FUNCTIONS
**WAVE FUNCTIONS
.CC
*CC INPUT
.FREEZE
1 0
.CC(T)
**END OF INPUT

h2o.mol文件内容

BASIS
cc-pVTZ
 CCSD(T)/cc-pVTZ for H2O molecule
 No symmetry is used
AtomTypes=2 Integrals=1.0D-14 Charge=0 NoSymmetry Angstrom
Charge=8. Atoms=1
O    -0.78690803    0.04178273    0.0
Charge=1. Atoms=2
H_a   0.17309197    0.04178273    0.0
H_b  -1.10736261    0.94671856    0.0

提交

dalton -gb 8 -omp 16 -ow h2o

注意高斯做电子相关计算默认冻核的，但在Dalton中则默认不是，我们需要显式地将冻核数目写出来，此例中冻结最低的1个双占据轨道（即氧原子的1s轨道），二者算出的能量方能严格对比。对于冻核不了解的小伙伴可以看《电子相关计算中的“冻核”近似》。算完后在输出文件h2o.out中找到CCSD(T)能量，与高斯算的相差1.75×10-8 a.u. 高斯输入文件大家都很熟悉，就不展示了。

在以后的教程中我们会更详细地介绍Dalton的用法。

5. 从Gaussian向Dalton传轨道

这里举一个例子：四重态Co原子的ROHF计算。注意Dalton不支持UHF/UDFT方法，这里我们用ROHF。先给出高斯输入文件

%chk=Co.chk
%mem=8GB
%nprocshared=8
#p ROHF/cc-pVTZ nosymm int=nobasistransform

title

0 4
Co   0.0   0.0   0.0

算完后找到ROHF能量为-1381.35962681 a.u. 如果仅使用Dalton进行计算，输入文件为

Co.dal文件

**DALTON INPUT
.RUN WAVE FUNCTIONS
**WAVE FUNCTIONS
.HF
*SCF INPUT
.DOUBLY OCCUPIED
12
.SINGLY OCCUPIED
3
**END OF INPUT

Co.mol文件

BASIS
cc-pVTZ
haha1
haha2
AtomTypes=1 Integrals=1.0D-14 Charge=0 NoSymmetry Angstrom
Charge=27. Atoms=1
Co      0.0      0.0      0.0

笔者机子上算出ROHF能量是 -1381.30417911a.u. 比高斯的结果高不少。当然对Dalton有丰富经验的用户可以翻看其手册添加关键词进行各种尝试，此处我们可以直接利用高斯算好的结果，依次执行

formchk Co.chk Co.fch
fch2dal Co.fch

即可生成Co.dal和Co.mol文件。fch2dal小程序是笔者开源的MOKIT程序包中的一个小程序，可在https://gitlab.com/jxzou/mokit下载，推荐下载源代码压缩包到Linux下编译使用。若读者在发表的工作中使用了fch2dal，请记得引用MOKIT，引用格式在程序目录下的README.md文件中Citation部分有写。

生成的坐标和基组数据位于mol文件中，而关键词和算好的分子轨道位于dal文件中，无需自己手写这两个文件。前述高斯输入文件中的关键词nosymm int=nobasistransform即是为了此刻准备的，如果不传轨道则不需写这两个关键词。如另有特殊计算需求（使用DFT、指定泛函名称等），可自行修改dal文件内容。此处我们算的是ROHF，直接提交即可

dalton -gb 1 -omp 16 -ow Co

完成后查看输出，发现1圈即收敛，能量与高斯算的结果一模一样

不过，这个例子其实蕴含了一些更深层次的有趣问题，例如:

（1）Dalton算出的-1381.30417911 a.u.能量偏高，能否检验其ROHF波函数稳定性？

（2）高斯算出的-1381.35962681 a.u.通过肉眼观察fch文件里的轨道可以发现其对应电子组态3d84s1，但元素周期表上写的明明是3d74s2，如何算出想要的电子组态呢？

且听下回分解。

Reference

[1] https://dalton-installation.readthedocs.io/en/latest/
[2] http://sobereva.com/463