Car-Parrinello Molecular Dynamics

Podobne dokumenty
Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Teoria funkcjona lu g Density Functional Theory (DFT)

Modelowanie molekularne

Modelowanie molekularne

Modelowanie molekularne

Metody obliczeniowe ab initio w fizyce struktur atomowych. Wykład 1: Wstęp

TEORIA FUNKCJONA LÓW. (Density Functional Theory - DFT) Monika Musia l

Modelowanie molekularne

Rozdział 22 METODA FUNKCJONAŁÓW GĘSTOŚCI Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Modele kp wprowadzenie

Teoria funkcjonału gęstości

Teoria Orbitali Molekularnych. tworzenie wiązań chemicznych

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Wyznaczanie krzywych energii potencjalnej dla wybranych cząsteczek dwuatomowych

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Struktura elektronowa σ-kompleksu benzenu z centrum aktywnym Fe IV O cytochromu P450

Wstęp do Modelu Standardowego

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Wykorzystanie platformy GPGPU do prowadzenia obliczeń metodami dynamiki molekularnej

Modelowanie molekularne

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Metody rozwiązania równania Schrödingera

Elektronowa struktura atomu

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Badanie długości czynników sieciujących metodami symulacji komputerowych

Ćwiczenie 3. Spektroskopia elektronowa. Etylen. Trypletowe przejścia elektronowe *

Program Obliczeń Wielkich Wyzwań Nauki i Techniki (POWIEW)

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Spis treści. Tom 1 Przedmowa do wydania polskiego 13. Przedmowa 15. Wstęp 19

Modele kp Studnia kwantowa

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Cząsteczki. 1.Dlaczego atomy łącz. 2.Jak atomy łącz. 3.Co to jest wiązanie chemiczne? Jakie sąs. typy wiąza

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

ADF Specyfika metodologii i pliku z danymi

Spin jądra atomowego. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Stara i nowa teoria kwantowa

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Budowa atomów. Atomy wieloelektronowe Układ okresowy pierwiastków

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Termodynamika i właściwości fizyczne stopów - zastosowanie w przemyśle

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Wykład 16: Atomy wieloelektronowe

Sprzęt komputerowy 2. Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer

Atomy wieloelektronowe

Modelowanie molekularne w projektowaniu leków

Atom wodoru i jony wodoropodobne

Spis treści. I. Skuteczne. Od autora... Obliczenia inżynierskie i naukowe... Ostrzeżenia...XVII

FALOWA I KWANTOWA HASŁO :. 1 F O T O N 2 Ś W I A T Ł O 3 E A I N S T E I N 4 D Ł U G O Ś C I 5 E N E R G I A 6 P L A N C K A 7 E L E K T R O N

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

Chemia teoretyczna I Semestr V (1 )

Fizyka współczesna Co zazwyczaj obejmuje fizyka współczesna (modern physics)

Metoda dynamiki molekularnej (molecular-dynamics, MD): zastosowania i przykłady

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Podstawy chemii obliczeniowej

Liczby kwantowe elektronu w atomie wodoru

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Wykład 3: Atomy wieloelektronowe

Teoretyczne badania reakcji odwodornienia borazanu katalizowanych przez kompleksy oparte na palladzie

Elementy teorii powierzchni metali

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Teoria funkcjona lu g

Elektronowa struktura atomu

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Modyfikacja schematu SCPF obliczeń energii polaryzacji

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

Problemy i rozwiązania

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Sprzęt komputerowy 2. Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Własności jąder w stanie podstawowym

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano.

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Gaz Fermiego elektronów swobodnych. Gaz Fermiego elektronów swobodnych

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

3. Cząsteczki i wiązania

Chemia ogólna - część I: Atomy i cząsteczki

Atomowa budowa materii

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

Transkrypt:

Car-Parrinello Molecular Dynamics Praktyczne wprowadzenie Łukasz Walewski ljw@icm.edu.pl Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Zakład Biofizyki, Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski CPMD, 13 luty 2007 p.1/32

Dynamika molekularna ab initio Cytowania C-P 1985 i frazy Ab initio molecular dynamics CPMD, 13 luty 2007 p.2/32

Układ wielu czastek Jądra atomowe: liczba jąder: K położenia: R I ładunki jądrowe: Z I masy atomowe: M I Elektrony: liczba elektronów: N położenia elektronów: r i CPMD, 13 luty 2007 p.3/32

Równanie Schrödingera ĤΨ(r N,R K ) = EΨ(r N,R K ) niezależne od czasu stan stacjonarny nierelatywistyczne Przestrzeń położeń: {r N,R K } CPMD, 13 luty 2007 p.4/32

Operatory Energia kinetyczna: Ĥ = T e + T n + V ee + V nn + V ext N K T e = 1 2 2 i T n = 1 2 M I 2 I i=1 I=1 Energia potencjalna: V ee = N i<j 1 r i r j V nn = K I<J Z I Z J R I R J CPMD, 13 luty 2007 p.5/32

Oddziaływanie elektron-jadro Energia oddziaływania elektron-jądro: V ext = N i=1 v(r i,r K ) Potencjał zewnętrzny działający na elektron w położeniu r jest sumą potencjałów atomowych: v(r) = K I=1 v I (r,r I ) = K I=1 Z I r R I zależnych od typu i położenia R I atomu: I = 1,...,K W praktyce rozważa się tylko elektrony walencyjne doznające efektywnego oddziaływania jąder. CPMD, 13 luty 2007 p.6/32

Density Functional Theory Gęstość elektronowa: N dr 2 dr N Ψ(r,r 2,...,r N ) 2 = n(r) = N i=1 Φ i (r) 2 Ψ(r,r 2,...,r N ) N -elektronowa f. falowa n(r) jednoelektronowa gęstość (Hohenberg-Kohn) Φ i (r) jednoelektronowe spin-orbitale (Kohn-Sham) CPMD, 13 luty 2007 p.7/32

Baza funkcyjna: fale płaskie Orbitale KS rozwinięte w bazie fal płaskich: Φ j (r) = 1 Ω 1/2 G max G c j (G) e ig r G wektor sieci odwrotnej G max maksymalna długość G (ograniczenie na ilość fal płaskich w rozwinięciu) Ω objętość komórki elementarnej CP: potraktować c j (G) jako klasyczne zmienne dynamiczne CPMD, 13 luty 2007 p.8/32

Rozszerzony Lagrangian L CP (c,ċ,r,ṙ) = µ ċ i(g)ċ i (G) + 1 2 i,g E PW (c,r) + [ Λ ij i,j G M I Ṙ 2 I ċ i(g)c j (G) δ i,j ] I µ fikcyjna masa elektronu E PW (c,r) potencjał Kohna-Shama (E({Φ i (c)},r)) Λ ij mnożniki Lagrange a (ortogonalność) CPMD, 13 luty 2007 p.9/32

Równania ruchu Car-Parrinello Otrzymane ze stowarzyszonych równań Eulera-Lagrange a M I R = E PW R I µ c i (G) = EPW c i (G) + j Λ ij c j (G) Warunki: elektrony są szybki: µ M ions elektrony są zimne: T elec T ions Energia jest zawsze (niewiele) większa od E BO CPMD, 13 luty 2007 p.10/32

Pseudopotencjały... opisują elektrony wewnętrznych powłok. redukcja rozmiaru bazy funkcyjnej redukcja ilości elektronów N (częściowe) uwzględnienie efektów relatywistycznych Rodzaje pseudopotencjałów: Norm-conserving Ultra-soft CPMD, 13 luty 2007 p.11/32

CPMD w skrócie metoda DFT elektrony walencyjne: rozwinięcie f. falowej w bazie fal płaskich elektrony rdzenia: pseudopotencjały energia: równania Kohna-Shama dynamika: rozszerzony Lagrangian CP zawierający elektronowe stopnie swobody implementacja: algorytm Verleta CPMD, 13 luty 2007 p.12/32

Pakiet CPMD Copyright IBM Corp. and Max Planck Institute, Stuttgart dostępny bezpłatnie dla organizacji Non Profit stale rozwijany przez CPMD Consortium (aktualna wersja: 3.9.11) strona domowa projektu: http://www.cpmd.org aktywna lista dyskusyjna wiele materiałów dodatkowych dostępnych przez www CPMD, 13 luty 2007 p.13/32

Dostępne opcje Funkcje standardowe: optymalizacja funkcji falowej, obliczenie energii optymalizacja geometrii (+ poszukiwanie stanów przejściowych) dynamika molekularna (CP, BO) NVE/NVT, NPE/NPT Funkcje rozszerzone: kwantowo-klasyczna dynamika molekularna (QM/MM) Gromos, Gromacs obliczenia w stanie wzbudzonym (TDDFT) kwantowa dynamika jąder atomowych path integral molecular dynamics (PIMD) CPMD, 13 luty 2007 p.14/32

Własności elektronowe moment dipolowy, polaryzowalność ( d/v ) analiza populacyjna (Mulliken, Davidson) orbitale molekularne, gęstość elektronowa, potencjał elektrostatyczny dipolowe momenty przejść między stanami Kohna-Shama widma oscylacyjne (IR) adsorpcyjne widma rentgenowskie CPMD, 13 luty 2007 p.15/32

Rozszerzenia Stany wzbudzone (TDDFT) widma elektronowe optymalizacja geometrii i widma oscylacyjne dynamika molekularna Rachunek zaburzeń widma fononowe widma Ramana widma NMR CPMD, 13 luty 2007 p.16/32

Wymagania Pakiet rozprowadzany w formie kodu źródłowego konieczność samodzielnej optymalizacji: kompilator (np. dla Linux: Intel, Portland Group nie GNU!) biblioteki numeryczne (BLAS/LAPACK, MKL, ACML) zasoby obliczeniowe (czas procesora, pamięć, pamięć masowa) Rzeczywiste obliczenia są wymagające obliczeniowo! CPMD, 13 luty 2007 p.17/32

Wydajność: biblioteki numeryczne Serial CPMD performance 400 IFC / ACML IFC / MKL PGI / ACML PGI / LAPACK 300 CPU time [ s ] 200 100 0 AMD Athlon, 1.6 GHz AMD Opteron, 2.0 GHz Intel Pentium 4, 2.4 GHz Processor type CPMD: wersja skalarna, 32 H 2 O, 1 krok MD; CPMD, 13 luty 2007 p.18/32

Wydajność: przetwarzanie równoległe 10000 CrayX1e (MSP) CPU CrayX1e (MSP) ELA CrayX1e (SSP) CPU CrayX1e (SSP) ELA PC (1cpu/node) CPU PC (1 cpu/node) ELA PC (2 cpu/node) CPU PC (2 cpu/node) ELA Time [ s ] 1000 100 1 2 4 8 16 32 Number of processors CPMD: wersja równoległa (MPI), 32 H 2 O, 50 kroków MD; CPMD, 13 luty 2007 p.19/32

Wydajność: przykład układ: cząsteczka izolowana, 38 atomów maszyna: Cray X1e, 32 procesory 1 krok MD 4.5 sec. CPU t = 4 a. u. 0.1 fs R cutoff = 70 Ry (pseudopotencjały Troulier-Martins) czas symulacji 1 ps 12 h czasu zegarowego CPMD, 13 luty 2007 p.20/32

Uruchamianie zadań Niezbędne elementy: program zoptymalizowany na docelową maszynę pseudopotencjały dla wszystkich typów atomów występujących w układzie plik sterujący definicja układu i zadania CPMD, 13 luty 2007 p.21/32

Plik sterujacy Podział na sekcje: &CPMD... &END CPMD - typ zadania, krok czasowy, termostat SYSTEM - definicja komórki elementarnej, symetria układu DFT - funkcjonał korelacyjno-wymienny ATOMS - typy i położenia atomów, definicja więzów + dodatkowe sekcje w zależności od rodzaju zadania CPMD, 13 luty 2007 p.22/32

Plik sterujacy Sekcja &CPMD &CPMD OPTIMIZE GEOMETRY XYZ PCG MINIMIZE TIMESTEP 20 ISOLATED MOLECULE CENTER MOLECULE ELECTROSTATIC POTENTIAL RHOOUT &END CPMD, 13 luty 2007 p.23/32

Plik sterujacy Sekcja &DFT &DFT FUNCTIONAL PBE &END Dostępne funkcjonały: NONE, SONLY, LDA (in PADE form), BONLY, BP, BLYP, XLYP, GGA (=PW91), PBE, REVPBE, HCTH, OPTX, OLYP, TPSS, PBE0, B1LYP, B3LYP, X3LYP CPMD, 13 luty 2007 p.24/32

Plik sterujacy Sekcja &DFT - bardziej złożony przykład &DFT SLATER EXCHANGE 0.66666666667 LDA CORRELATION PZ GRADIENT CORRECTION BECKE88 &END CPMD, 13 luty 2007 p.25/32

Plik sterujacy Sekcja &SYSTEM &SYSTEM SYMMETRY 0 CUTOFF 120.0 ANGSTROM CELL 6.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 &END CPMD, 13 luty 2007 p.26/32

Plik sterujacy Sekcja &ATOMS &ATOMS *pp/o_mt_pbe.psp KLEINMAN-BYLANDER LMAX=P 1 0.904516 0.926732 0.000000 *pp/h_mt_pbe.psp KLEINMAN-BYLANDER LMAX=S 2 0.900437 1.897528 0.000000 1.841176 0.671532 0.000000 &END CPMD, 13 luty 2007 p.27/32

Wyniki zoptymalizowana struktura **************************************************************** * * * FINAL RESULTS * * * **************************************************************** ATOM COORDINATES GRADIENTS (-FORCES) 1 O 5.5629 5.5876 5.6692-3.336E-04-2.058E-04-2.697E-15 2 H 5.5755 7.4196 5.6692 3.633E-05 5.133E-05-1.258E-16 3 H 7.3356 5.1257 5.6692 1.343E-05 9.697E-05-2.833E-18 **************************************************************** Zapisywana także w formacie XYZ do pliku GEOMETRY.xyz CPMD, 13 luty 2007 p.28/32

Wyniki energia TOTAL INTEGRATED ELECTRONIC DENSITY IN G-SPACE = 8.000000 IN R-SPACE = 8.000000 (K+E1+L+N+X) TOTAL ENERGY = -17.20883115 A.U. (K) KINETIC ENERGY = 12.97043749 A.U. (E1=A-S+R) ELECTROSTATIC ENERGY = -11.38586702 A.U. (S) ESELF = 12.63317221 A.U. (R) ESR = 0.83637228 A.U. (L) LOCAL PSEUDOPOTENTIAL ENERGY = -16.33015869 A.U. (N) N-L PSEUDOPOTENTIAL ENERGY = 1.75602399 A.U. (X) EXCHANGE-CORRELATION ENERGY = -4.21926703 A.U. GRADIENT CORRECTION ENERGY = -0.09668507 A.U. Energia zapisywana w trakcie symulacji do pliku ENERGIES. CPMD, 13 luty 2007 p.29/32

Wyniki średnie po trajektorii **************************************************************** * AVERAGED QUANTITIES * **************************************************************** MEAN VALUE +/- RMS DEVIATION <x> [<x^2>-<x>^2]**(1/2) ELECTRON KINETIC ENERGY 0.254824E-03 0.816047E-04 IONIC TEMPERATURE 270.89 140.39 DENSITY FUNCTIONAL ENERGY -17.207551 0.920277E-03 CLASSICAL ENERGY -17.190097 0.813891E-04 CONSERVED ENERGY -17.189843 0.674350E-06 NOSE ENERGY ELECTRONS 0.000000 0.00000 NOSE ENERGY IONS 0.013594 0.232209E-02 CONSTRAINTS ENERGY 0.000000 0.00000 ION DISPLACEMENT 3.01030 1.27838 CPU TIME 2.2875 **************************************************************** CPMD, 13 luty 2007 p.30/32

Wizualizacja wyników I Gęstość elektronowa i potencjał elektrostatyczny CPMD, 13 luty 2007 p.31/32

Wizualizacja wyników II Orbital molekularny HOMO CPMD, 13 luty 2007 p.32/32