Car-Parrinello-Molekulardynamik oder CPMD bezieht sich entweder auf eine Methode, die in der Molekulardynamik (auch als Car-Parrinello-Methode bezeichnet) oder auf das Softwarepaket Computerchemie verwendet wird zur Implementierung dieser Methode verwendet. [1]
Die CPMD-Methode steht im Zusammenhang mit der gebräuchlicheren Born-Oppenheimer-Methode der Molekulardynamik (BOMD), da der quantenmechanische Effekt der Elektronen in die Berechnung der Energie und der Kräfte für die klassische Bewegung von einbezogen wird die Kerne Während BOMD jedoch das elektronische Strukturproblem innerhalb der zeitlich unabhängigen Schrödinger-Gleichung behandelt, bezieht CPMD die Elektronen explizit als aktive Freiheitsgrade über (fiktive) dynamische Variablen ein.
Die Software ist eine parallelisierte ebene Welle / Pseudopotential-Implementierung der Dichtefunktionaltheorie, die speziell für Molekulardynamik von ab initio entwickelt wurde. [2]
Car-Parrinello-Methode ]
Die Car-Parrinello-Methode ist eine Art molekularer Dynamik, die normalerweise periodische Randbedingungen, Planewellen-Basissätze und Dichtefunktionaltheorie verwendet, vorgeschlagen von Roberto Car und Michele Parrinello, die später vorgeschlagen wurden 2009 mit der Dirac-Medaille von ICTP ausgezeichnet.
Im Gegensatz zur Born-Oppenheimer-Molekulardynamik, bei der der Freiheitsgrad des Kerns (Ionen) mit Ionenkräften propagiert wird, die bei jeder Iteration durch Annäherung des elektronischen Problems mit herkömmlichen Matrix-Diagonalisierungsmethoden berechnet werden, führt die Car-Parrinello-Methode explizit ein die elektronischen Freiheitsgrade als (fiktive) dynamische Variablen, die einen erweiterten Lagrangian für das System schreiben, der zu einem System gekoppelter Bewegungsgleichungen sowohl für Ionen als auch für Elektronen führt. Auf diese Weise ist keine explizite elektronische Minimierung bei jedem Zeitschritt, wie sie in Born-Oppenheimer MD durchgeführt wird, nicht erforderlich: Nach einer anfänglichen elektronischen Minimierung hält die fiktive Dynamik der Elektronen sie auf dem elektronischen Grundzustand, der jeder neuen ionischen Konfiguration entspricht entlang der Dynamik besucht, wodurch genaue Ionenkräfte erzielt werden. Um diesen adiabatischen Zustand aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, dass die fiktive Masse der Elektronen klein genug gewählt wird, um eine signifikante Energieübertragung von den ionischen zu den elektronischen Freiheitsgraden zu vermeiden. Diese kleine fiktive Masse erfordert wiederum, dass die Bewegungsgleichungen in einem kleineren Zeitschritt integriert werden (1–10 fs), wie er üblicherweise in der Born-Oppenheimer Molekulardynamik verwendet wird.
Allgemeiner Ansatz [ edit ]
In der CPMD werden die Kernelektronen normalerweise durch ein Pseudopotential beschrieben und die Wellenfunktion der Valenzelektronen durch einen ebenen Wellengrundsatz approximiert.
Die elektronische Dichte des Grundzustands (für feste Kerne) wird in der Regel nach der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Dann können unter Verwendung dieser Dichte Kräfte auf die Kerne berechnet werden, um die Trajektorien zu aktualisieren (beispielsweise unter Verwendung des Verlet-Integrationsalgorithmus). Darüber hinaus können jedoch die Koeffizienten, die zum Erhalten der elektronischen Orbitalfunktionen verwendet werden, als ein Satz zusätzlicher räumlicher Dimensionen behandelt werden, und Trajektorien für die Orbitale können in diesem Zusammenhang berechnet werden.
Fiktive Dynamik [ edit ]
CPMD ist eine Annäherung an die Born-Oppenheimer-Methode (BOMD). In BOMD muss die Wellenfunktion der Elektronen bei jedem Schritt der Flugbahn durch Matrixdiagonalisierung minimiert werden. CPMD verwendet fiktive Dynamiken [3] um die Elektronen in der Nähe des Grundzustands zu halten, sodass in jedem Zeitschritt keine kostspielige, selbstkonsistente iterative Minimierung erforderlich ist. Die fiktive Dynamik beruht auf der Verwendung einer fiktiven Elektronenmasse (üblicherweise im Bereich von 400 bis 800 u.u.), um sicherzustellen, dass der Energietransfer von Kernen zu Elektronen sehr gering ist, d. H. Um Adiabatizität zu gewährleisten. Jede Erhöhung der fiktiven Elektronenmasse, die zur Energieübertragung führt, würde das System dazu veranlassen, die BOMD-Oberfläche im Grundzustand zu verlassen ] 1 2 ( 19 I n u c l e i 19659033] I R ˙ I 2 + u i o b b b b i t a l s [1945 d r 19 i ( r t ) | 2 ) - E [1945 i } { R I ] displaystyle { mathcal {L}} = { frac {1} {2}} left ( sum _ {I} ^ { mathrm {n uclei}} M_ {I} { dot { mathbf {R}}} _ {I} ^ {2} + mu sum _ {i} ^ { mathrm {Orbitale}} int d mathbf { r} | { dot { psi}} _ {i} ( mathbf {r}, t) | ^ {2} right) -E left [{psi _{i}},{mathbf {R} _{I}}right],}
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Die Bewegungsgleichungen werden erhalten, indem der stationäre Punkt des Lagrangian unter Variationen von und und gefunden wird R I mit der Orthogonalitätsbeschränkung. [5]
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Born-Oppenheimer-Grenze [ edit ]
In der formalen Grenze, wo µ → 0, nähern sich die Bewegungsgleichungen Born-Oppenheimer-Molekulardynamik. [19659189Anwendung
[ edit ]
Untersuchung des Verhaltens von Wasser in der Nähe eines hydrophoben Graphenblatts. [8]
Untersuchung der Struktur und Dynamik von flüssigem Wasser bei Umgebungstemperatur. [9][10]
Lösen der Wärmeübertragung Probleme (Wärmeleitung und Wärmestrahlung) zwischen Si / Ge-Übergittern. [11][12]
Untersuchung des Protonentransfers entlang von 1D-Wasserketten in Kohlenstoff-Nanoröhren. [13]
Bewertung des kritischen Punkts von Aluminium. [14]
Vorhersage der amorphen Phase der Phase -Austauschmaterial GeSbTe. [15]
Siehe auch [ edit
Referenzen [ edit Car, R. ; Parrinello, M (1985). "Einheitlicher Ansatz für Molekulardynamik und Dichtefunktionaltheorie". Physical Review Letters . 55 (22): 2471–2474. Bibcode: 1985PhRvL..55.2471C. doi: 10.1103 / PhysRevLett.55.2471. PMID 10032153.
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![mu { ddot { psi}} _ {i} ({ mathbf r}, t) = - { frac { delta E} { delta psi _ { i} ^ {*} ({ mathbf r}, t)}} + sum _ {j} Lambda _ {{ij}} psi _ {j} ({ mathbf r}, t), [19659082] wobei Λ <sub><i> ij </i></sub> eine Lagrangian-Multiplikatormatrix ist, die der Orthonormalitätsbedingung entspricht. </p> <h3><span id=](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/76b149f34391c84459e5619b097c640c53b519d1)
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