Stefano Baroni在凝聚态理论与计算方面做了哪些重要工作，影响力如何？

好的，我们来聊聊 Stefano Baroni 在凝聚态理论与计算领域的一些重要贡献，以及它们的影响力。

Baroni 教授是一位在计算凝聚态物理领域备受推崇的学者。他的研究重心主要集中在利用第一性原理计算方法来理解材料的物理性质，特别是那些与晶格振动（声子）相关的现象。可以说，他在声子计算领域的研究，极大地推动了该领域的发展，并为许多后续研究奠定了基础。

核心贡献与重要工作：

Baroni 教授最广为人知的贡献，无疑是他与同事们在开发和完善 密度泛函理论 (DFT) 框架下计算声子性质方法上的工作。在 Baroni 教授之前，计算声子性质虽然已经有了框架，但在精度、效率以及适用性上都存在不少局限。他以及他所在的团队，特别是通过著名的 PHONON 和 BERRY 等软件包的开发，极大地提升了这一领域的能力。

线性响应理论与力常数方法： 他的一个重要早期工作是，将线性响应理论与 DFT 结合起来，用于计算晶格动力学。这本质上是通过微小形变来计算原子间相互作用的力常数。这种方法与传统的“有限差分法”相比，在理论上更加严谨，并且可以更有效地处理复杂体系。他的研究表明，通过精确计算力常数，可以非常准确地预测材料的声子色散关系、晶格热容、以及声子输运等性质。

Berry 相位方法在声子计算中的应用： 这是一个尤其具有开创性的工作。Baroni 教授和他的合作者（尤其是 Nicola Marzari）意识到，Berry 相位在量子力学中扮演着核心角色，它可以描述波函数的拓扑性质。他们巧妙地将 Berry 相位概念引入到声子计算中，从而发展出了一种 “无限极化率” 的计算方法。这种方法能够直接、精确地计算出材料的 宏观电极化率 (macroscopic polarization)，而宏观电极化率与声子模式的 铁电活性 (ferroelectric activity) 和 压电效应 (piezoelectricity) 密切相关。

为何这个重要？ 传统的计算方法很难直接得到精确的宏观电极化率，通常需要通过对微小形变进行差分计算，这容易引入误差。而 Berry 相位的方法，提供了一种更直接、更本质的计算途径。这对于理解和预测铁电材料、压电材料的性质至关重要。比如，对铁电材料的相变、畴壁结构、以及对外场响应的理解，都离不开精确的电极化率计算。

开发和推广 PHONON 和 BERRY 软件包： Baroni 教授不仅仅是理论的提出者，更是将这些理论转化为实用工具的推动者。他和他的合作者开发了 PHONON 软件包，这是一个非常流行的用于计算材料声子性质的开源代码。后来，随着 Berry 相位方法的成熟，又发展出了 BERRY 软件包。这些软件包的发布，极大地降低了研究人员进行相关计算的门槛，让第一性原理计算在声子学领域的应用变得前所未有的广泛和深入。

研究非简谐效应： 除了线性声子（简谐近似下的声子），Baroni 教授也关注更复杂的 非简谐效应，例如声子声子散射，这对于理解材料在高温下的热导率、声子寿命等性质非常关键。他的工作为如何将这些更复杂的效应纳入第一性原理计算框架提供了重要思路。

影响力：

Baroni 教授的工作对凝聚态理论与计算领域产生了深远的影响，体现在多个方面：

1. 理论方法的革命： 他通过 Berry 相位方法，为计算材料的铁电和压电性质提供了全新的、更精确的理论框架。这不仅解决了长期存在的技术难题，更深刻地揭示了电子波函数拓扑性质与宏观物理性质之间的联系。

2. 软件的普及与应用： PHONON 和 BERRY 软件包的开发和免费发布，极大地加速了第一性原理计算在声子学领域的应用。无数的研究人员，包括在材料科学、固态物理、化学等领域，都依赖这些工具来预测和解释材料的性质。可以说，Baroni 教授的研究极大地“赋能”了全球的科研人员。

3. 推动材料设计与发现： 准确预测材料的声子性质，对于理解其稳定性、热学性质、电学性质（例如半导体中的声子电子耦合）、超导性（晶格振动在其中扮演重要角色）等都至关重要。Baroni 教授的工作，使得研究人员能够更理性地设计具有特定热学、电学或机械学性质的新材料，例如新型热电材料、高效的隔热材料、以及具有特定压电响应的陶瓷等。

4. 学术界的认可： 他的研究成果获得了广泛的学术认可，包括被引用次数极高的论文、在重要国际会议上的特邀报告，以及一些享有盛誉的奖项。这都证明了他的工作在学术界的份量。

总而言之，Stefano Baroni 教授在声子计算领域的贡献，特别是对 Berry 相位方法在铁电和压电计算中的应用，以及对高性能计算软件的开发，无疑是划时代的。他的工作不仅在理论上深化了我们对晶格动力学的理解，更在实践上为材料科学的研究和发展提供了强大的工具，对现代凝聚态理论与计算领域的发展起到了至关重要的推动作用。

现在的问题都这么专业了？那我从我的角度评价一点。

Baroni最重要的工作当然是密度泛函微扰论(Density Functional Perturbation Theory, DFPT)。DFPT这个方法简单来说，就是DFT各类势场导数和电荷密度导数进行自洽后，可以得到动力学矩阵，声子谱和电声耦合Vertex。

DFPT的开端就是Baroni的论文Phys. Rev. Lett. 58, 1861 (1987)。那篇文章已经基本奠定了后续的框架，包括了DFPT的基本自洽结构，以及占据态manifold投影这些技术。 后来Baroni写了一篇很有名的综述Rev. Mod. Phys. 73, 515 (2001)，做这个领域的应该都看过。

Baroni亲手写了Quantum Espresso中PHonon程序第一版，是QE的元老名宿之一^[1]。后来PHonon程序经历了Stefano de Gironcoli，Andrea Dal Corso，Francesco Mauri等人^[2]以及他们学生的发展，逐渐形成目前的规模。

顺便说一句，Xavier Gonze在90年代发展了DFPT的另一种形式，当然算法就写进了他自己的Abinit。

此后，Baroni将DFPT扩展到含时情况，也就是TDDFPT，算法实现形成了QE中的Turbo_EELS。TDDFPT算是TDDFT的一种算法。这也是为何Turbo_EELS和PHonon会共用LR_Modules代码的原因。

现在Baroni的主要工作重心是热输运领域，也在继续指导开发TDDFPT，对DFPT方法也有很多高屋建翎的指导意见（当他愿意的时候）。

Baroni极其smart，看问题十分深刻精准（他人的靠谱评价）。

参考

1. ^ Baroni当时和QE的主要负责人Paolo Giannozzi同时在EPFL，可能这是QE的雏形？
2. ^ 还不清楚这些人的师承关系，望大神告知。