Dispersion interactions in machine learning potentials for large-scale atomistic simulations

Julkaisun otsikon käännös: Dispersiovuorovaikutukset koneoppivissa potentiaaleissa suuren skaalan atomistisia simulaatioita varten

Heikki Muhli

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Dispersiovuorovaikutukset ovat molekyylien välisiä vuorovaikutuksia, joita on kaikissa materiaaleissa. Sen lisäksi, että nämä vuorovaikutukset saavat alkunsa elektronien korrelaatiosta, niiden kumulatiivisuuden ja pitkän kantaman luonteen vuoksi suurin osa tiheysfunktionaaliteoriassa (DFT) käytetyistä vaihto- ja korrelaatiofunktionaaleista ei pysty mallintamaan näitä vuorovaikutuksia tarkasti. Tämän vuoksi laskuihin lisätään usein jonkinlainen dispersiokorjaus, jotta saadaan huomioitua tämä puuttuva vuorovaikutus. Monissa systeemeissä dispersionvuorovaikutusten tarkka mallintaminen vaatii monen kappaleen dispersion (MBD) huomioonottamista, mutta nämä vuorovaikutukset nostavat huomattavasti simulaatioiden vaatimia laskennallisia resursseja verrattuna usein käytettyihin pareittain additiviisiin malleihin. Tämä tekee niistä mahdottomia käyttää suuren skaalan atomistisissa simulaatioissa. Hiljattain koneoppiminen (ML) on tehnyt tuloaan materiaalitieteeseen mahdollistaen simulaatioiden vaatimien resurssien vähentämisen kehittämällä ML-potentiaaleja, jotka on kehitetty DFT-laskujen tuloksia tietokantana käyttäen. Nämä potentiaalit pystyvät interpoloimaan uusia tuloksia systeemien potentiaalienergiapinnoilla ilman uusia DFT-laskuja. Koska nämä potentiaalit käyttävät lokaaleihin atomiympäristöihin perustuvia deskriptoreja tekemään ennustuksia laskuista, jotka on alun perin laskettu DFT:llä, niistä puuttuu samalla tavalla dispersionvuorovaikutusten kontribuutio. Näiden vuorovaikutusten epälokaalius ja ML-deskriptorien lokaalius on merkittävä haste dispersiovuorvaikutusten sisällyttämisessä ML-potentiaaleihin. Tässä väitöskirjassa näytetään kuinka dispersiovuorovaikutusten lisääminen ML-potentiaaleihin on mahdollista käyttämällä atomiympäristöjen lokaalia parametrisaatiota. Ensin pareittain additiivinen dispersiomalli muutetaan ML-potentiaaleille sopivaksi siten, että se tuottaa atomikeskisiä dispersioenergioita lokaaleista parametreista. Menetelmä yleistetään MBD:hen johtamalla atomikeskinen dispersioenergia globaalista MBD-energiasta siten, että lopullisen mallin laskennallinen skaalaus on lineaarinen suhteessa atomien lukumäärään. Koska MBD-mallista aiheutuu väistämättä laskennallisia lisäkustannuksia tehokkaille ML-potentiaaleille, kehitetään lisäksi menetelmä pareittain additiivisen dispersiomallin uudelleen parametrisointiin molekyylidynamiikkasimulaatioiden (MD) aikana käyttäen MBD-mallin antamia periodisia korjauksia. Tällä tavalla saavutetaan menetelmä, joka nopeuttaa simulaatioita huomattavasti ja aiheuttaa hyväksyttävän virheen lopullisiin tuloksiin. Koska menetelmä on lineaarisesti skaalaava ja helposti rinnakkaisohjelmoitava, voidaan sillä ajaa suuren skaalan atomistisia MD-simulaatioita murto-osalla siitä ajasta, joka DFT:llä menisi samoihin laskuihin, samalla tuottaen kvanttimekaanisesti tarkkoja MBD-vuorovaikutukset sisältäviä tuloksia.
Julkaisun otsikon käännösDispersiovuorovaikutukset koneoppivissa potentiaaleissa suuren skaalan atomistisia simulaatioita varten
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ala-Nissilä, Tapio, Vastuuprofessori
  • Caro, Miguel, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-2357-9
Sähköinen ISBN978-952-64-2358-6
TilaJulkaistu - 2025
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • dispersiovuorovaikutukset
  • koneoppiminen
  • tiheysfunktionaaliteoria
  • monen kappaleen dispersio
  • molekyylidynamiikka

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Dispersiovuorovaikutukset koneoppivissa potentiaaleissa suuren skaalan atomistisia simulaatioita varten'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä