Korelacja elektronowa w metodzie elongacji

Podobne dokumenty
Opis korelacji elektronowej w dużych układach molekularnych. Implementacja metodologii LT-AO-MP2

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

Lokalizacja Orbitali Molekularnych

Implementacja efektywnych metod opisu korelacji elektronowej w dużych układach molekularnych

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

Teoria funkcjona lu g Density Functional Theory (DFT)

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

Notatki do wyk ladu IV (z )

Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

JEDNOSTKI ATOMOWE =1, m e =1, e=1, ; 1 E 2 h = 4, J. Energia atomu wodoru lub jonu wodoropodobnego w jednostkach atomowych:

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Hierarchia baz gaussowskich (5)

Teoria funkcjona lu g

Podstawowe metody i przybliżenia: metoda wariacyjna, rachunek zaburzeń

Notatki do wyk ladu IV (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Metoda oddzia lywania konfiguracji (CI)

Notatki do wyk ladu V (z ) Metoda Hartree-Focka (Hartree ego-focka)

Korelacja elektronowa. e z rachunku prawdopodobieństwa i statystyki. Zmienne losowe x i y sa. ρ(x, y) = ρ 1 (x) ρ 2 (y)

Struktura elektronowa czasteczek. przybliżenie Borna-Oppenheimera. równania Schrödingera dla elektronów przy ustalonym po lożeniu jader

Monika Musia l. METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI) (ujȩcie wyznacznikowe)

Symetria w obliczeniach molekularnych

Teoria funkcjona lu g

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

CHEMIA KWANTOWA MONIKA MUSIA L METODA HÜCKLA. Ćwiczenia. mm

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

u nk = n c nn u n 0 wyznacza siȩ empirycznie (elementy przejść) lub próbuje oszacować w obliczeniach typu ab initio Rachunek zaburzeń Löwdina

Efektywny opis wybranych w laściwości dużych uk ladów molekularnych w ramach metodologii MP2

Rozwój i zastosowanie wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów w opisie stanów podstawowych i wzbudzonych układów atomowych i molekularnych

W lasności elektryczne moleku l

Teoria funkcjonału gęstości

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Ćwiczenia. Monika Musia l

{E n ( k 0 ) + h2 2m (k2 k 2 0 )}δ nn + h m ( k k 0 ) p nn. c nn = E n ( k)c nn (1) gdzie ( r)d 3 r

Rozdzia l 11. Przestrzenie Euklidesowe Definicja, iloczyn skalarny i norma. iloczynem skalarnym.

Korelacja elektronowa

Chemia kwantowa makroczasteczek dla III roku biofizyki; kurs WBt-ZZ28

Wyk lad 13 Funkcjona ly dwuliniowe

i elektronów w czasteczkach (laboratoryjnym) operator Hamiltona dla czasteczki dwuatomowej (jadra 2M b a i b; m -masa elektronu e 2 r ij

METODY POSTHARTREE-FOCKOWSKIE MONIKA MUSIA L

Modelowanie molekularne

Uwzględnienie energii korelacji w metodach ab initio - przykłady

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

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

Modelowanie molekularne

Kondensat Bosego-Einsteina okiem teoretyka

Modelowanie molekularne

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Niesimpleksowe metody rozwia zywania zadań PL. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Analizy populacyjne i rzedy

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Uniwersytet Jagielloński. Zastosowanie szybkiej metody multipoli w metodzie elongacji z obcięciem macierzy Focka.

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

Modyfikacja schematu SCPF obliczeń energii polaryzacji

STRUKTURA ELEKTRONOWA CZA STECZEK: METODA ORBITALI MOLEKULARNYCH (MO) Monika Musia l

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

jawnie od odleg lości miedzyelektronowych r ij = r i r j Funkcje falowe w postaci kombinacji liniowej wielu wyznaczników.

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

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

Graficzna reprezentacja orbitali atomowych s, p i d. Graficzny obraz schematu EA w obliczeniach energii termów atomowych dla atomu sodu.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

c) prawdopodobieństwo znalezienia cząstki między x=1.0 a x=1.5 jest równe

RACHUNEK ZABURZEŃ. Monika Musiał

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Uklady modelowe III - rotator, atom wodoru

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykłady 6 i 7 Rozwiązywanie układów równań liniowych. Karol Tarnowski A-1 p.

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Grupy i cia la, liczby zespolone

METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI)

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

stany ekscytonowo-fononowe w kryszta lech oligotiofenów

Diagonalizacja macierzy i jej zastosowania

Uniwersytet Jagielloński

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Wyk lad 10 Przestrzeń przekszta lceń liniowych

5. Obliczanie pochodnych funkcji jednej zmiennej

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

Symbol termu: edu (sumy ca lkowitego orbitalnego momentu edu i ca lkowitego spinu) Przyk lad: 2 P 3. kwantowa

Uproszczony dowod twierdzenia Fredricksona-Maiorany

Wyznaczanie krzywych energii potencjalnej dla wybranych cząsteczek dwuatomowych

Prof. dr hab. Leszek Meissner Toruń, 24 września 2018 r. Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń

Wyk lad 4 Dzia lania na macierzach. Określenie wyznacznika

Plan wykładu. Przykład. Przykład 3/19/2011. Przykład zagadnienia transportowego. Optymalizacja w procesach biznesowych Wykład 2 DECYZJA?

METODA SPRZȨŻONYCH KLASTERÓW METODA MIESZANIA KONFIGURACJI. Monika Musia l

RACHUNEK OPERATOROWY MIKUSIŃSKIEGO I JEGO ZASTOSOWANIE DO RÓWNAŃ

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Rotacje i drgania czasteczek

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

RÓWNANIA NIELINIOWE Maciej Patan

Dziedziny Euklidesowe

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu

po lożenie cz astki i od czasu (t). Dla cz astki, która może poruszać siȩ tylko w jednym wymiarze (tu x)

Wyk lad 14 Formy kwadratowe I

Wykorzystanie platformy GPGPU do prowadzenia obliczeń metodami dynamiki molekularnej

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Rzędy wiązań chemicznych

WYKŁAD 9 METODY ZMIENNEJ METRYKI

Transkrypt:

March 28, 2006

1 2 3 4 5 6

Waskie gard la metody jednowyznacznikowe wyznaczanie ca lek dwuelektronowych potrzebnych do budowy macierzy Focka: formalnie O(N 4 ), asymptotycznie O(N 2 ) diagonalizacja macierzy Focka: O(N 3 ) z niewielkim prefaktorem ca lkowanie numeryczne potencja lu korelacyjno-wymiennego w DFT: O(N 3 ) metody wielowyznacznikowe transformacje ca lek

Dok ladne podejścia rozbicie macierzy Focka na cześć kulombowska i wymienna wymiana jest krótkozasiegowa: użycie szacowania z użyciem macierzy gestości i technik szybkiego sortowania - LinX (Schwegler, Challacombe) oddzia lywanie kulombowskie: QFMM (Greengard, White, Head-Gordon) cz eść korelacyjno-wymienna (Stratmann, Scuseria) omini ecie diagonalizacji - techniki oparte na optymalizacji macierzy g estości (Li, Scuseria)

Metody przybliżone FMO dziel i zwyci eżaj Local Space Approximation

Lokalizacja baza dla metod post-hf LCCSD... i jednowyznacznikowych: np. metoda elongacji

Zasada dzia lania

Elongacyjny SCF D F A A A B M ) (A S ) ( 1 2 3 3 3 F 3 MO F ( S ) ( C ) F (A S ) C 3 S 3 3 S 3 SCF loop MO F ( S) C S C E C MO MO MO S 3 S 3 S 3 C MO S 3 S 3 E S S localization 3 A 4, B 4

Problem ca lek dwuelektronowych idea cutoff-u ca lki z 3 lub 4-ma indeksami w cz eści obci etej zaniedbywane w procedurze SCF pozostawia skalowanie O(N 2 ), ale dramatycznie zmniejsza prefaktor wysoce efektywny dla algorytmu dyskowego QFMM/LinX

Dok ladność Liczba dodanych merów Woda Polietylen Poliacetylen 1 0.05 10 7 0.24 10 6 0.86 10 6 2 0.27 10 7 0.71 10 6 2.21 10 6 3 0.75 10 7 1.26 10 6 3.79 10 6 4 1.69 10 7 1.87 10 6 5.46 10 6 5 2.80 10 7 2.44 10 6 7.20 10 6 6 4.03 10 7 3.02 10 6 8.94 10 6

Efektywność - algorytm dyskowy - PGly/RHF/STO-3G 4000 3000 Total CPU time (sec.) 2000 1000 conv. elg/cut-off 0 0 100 200 300 400 Number of atoms

Efektywność - algorytm direct - PGly/RHF/STO-3G Total CPU time (sec.) 50000 40000 30000 20000 CPU time for Fock matrix formation (sec.) 8000 6000 4000 2000 0 0 200 400 600 Number of atoms 10000 conv. conv./qfmm cut-off elg-qfmm 0 0 200 400 600 Number of atoms

Uk lady otwartopow lokowe 6 Error in total energy per one atom with respect to conventional calculations (10-7 a.u.) 4 2 pa/rohf/6-31g** pe/rohf/sto-3g pe/uhf/sto-3g 0 20 40 60 80 100 120 Number of atoms

DFT - dok ladność - PAcet/RHF/B3LYP/6-31G 4 elg elg/cut-off elg/qfmm Error in total energy per atom with respect to conventional calculations (10-7 a.u.) 3 2 1 Error in total energy per atom with respect to conventional calculations (10-6 a.u.) 30 20 10 0 0 80 160 240 Number of atoms 0 40 80 120 160 200 240 280 Number of atoms

DFT - efektywność - PAcet/B3LYP/6-31G 25000 20000 Total CPU time (sec.) 15000 10000 conv. conv./qfmm elg/qfmm 5000 0 0 40 80 120 160 200 240 Number of atoms

Uk lady dwuwymiarowe - modelowe klastry wody Total CPU time (sec.) 160000 120000 80000 40000 CPU time for solving SCF equations (sec.) 800 600 400 200 0 0 400 800 1200 1600 2000 Number of basis functions conv. conv./qfmm elg elg/qfmm 0 0 400 800 1200 1600 2000 Number of basis functions

Krótkie podsumowanie metoda elongacji - uniwersalna na poziomie jednowyznacznikowym efektywna, jeżeli badamy w lasności serii uk ladów zagadnienia do rozwiazania: QFMM + cut-off efektywne obliczanie cześci korelacyjno-wymiennej macierzy Focka M. Makowski, J. Korchowiec, F.L. Gu, Y. Aoki, Efficiency and accuracy of the elongation method as applied to the electronic structures of large systems, J. Comp. Chem., w recenzji

Znaczenie najprostsza metodologia oparta na funkcji falowej uwzgledniaj aca korelacje elektronowa duża cześć korelacji zazwyczaj odtworzona szereg: CCSD CCSD(T) CCSDT jest spójne rozmiarowo DFT jest tańsze, ale czasem niezbyt wiarygodne: si ly dyspersyjne procesy z przeniesieniem ladunku...

Tradycyjne pracuje w bazie kanonicznych orbitali z metody Hartree-Focka macierz Focka diagonalna proste wyrażenia na perturbacyjne korekty do funkcji falowej i energii dla uk ladu zamkni etopow lokowego (w bazie orbitali): E 2 = ijab (ia jb)(2(ia jb) (ib ja)) ɛ a + ɛ b ɛ i ɛ j

O czym bedzie mowa Problemy z efektywnościa orbitale kanoniczne sa zawsze zdelokalizowane liczba istotnych ca lek w bazie MO skaluje sie formalnie jak O(N 4 ) transformacja AO MO ma formalny koszt O(N 5 ), a asymptotyczny: O(N 3 ) zastosowanie do dużych uk ladów praktycznie niemożliwe korelacja w izolatorach zanika jak r 6 skalowanie metody nie ma fizycznego uzasadnienia

O czym bedzie mowa Rozwiazania DF- AO- DF-

Podstawy pracuje w orbitalach zlokalizowanych zak lada ortogonalność orbitali zaj etych i ortogonalność mi edzy orbitalami zaj etymi i wirtualnymi zazwyczaj zaj ete CMO poddane procedurze lokalizacji(pipek-mezey, Boys,... ) wirtualne: PAO - baza atomowa z wyrzutowana podprzestrzenia orbitali zajetych formalizm wychodzacy od funkcjona lu Hylleraasa (Pulay, Werner) 1 Ĥ 0 E 0 1 + 2 1 Ĥ 1 E 1 0 E 2

Równania 1 1 = 1 2 E 2 = ij P Tij ab ij P ab [ij] Kij ab = (ia jb) [2T ab ab [ij] ij Φ ab ij Tij ba ]Kij ab R ij = K ij + FT ij S + ST ij F k S[F ik T kj + T ik F kj ]S

Równania 1 R ij = K ij + FT ij S + ST ij F k S[F ik T kj + T ik F kj ]S wymagamy, żeby Rij ab = 0 dla a, b in [ij] szukamy amplitud Tij ab sprzeżenie przez elementy macierzy Focka (orbitale nie sa kanoniczne) sprzeżenie przez elementy macierzy ca lek nakrywania (PAO nie sa ortogonalne) musi byc rozwiazywane iteracyjnie

Kluczowe za lożenia formalizm s luszny w każdej bazie orbitalnej, w szczególności w kanonicznej ale w reżimie lokalnym możemy za lożyç, że: para zajetych i, j jest istotna tylko, jeśli i i j nie sa zbyt odleg le orbitale wirtualne a, b należa do domeny [ij] tylko, jeśli każdy z nich jest bliski i lub j

Zyski z lokalizacji liczba istotnych par i, j rośnie liniowo średni rozmiar domeny jest asymptotycznie sta ly liczba amplitud do wyznaczenia T O(N) liczba ca lek w bazie MO O(N) rozmiar uk ladu równań O(N)

Trudności ca lki w bazie AO dla HF liczba ca lek rośnie asymptotycznie jak O(N 2 ) (waskie gard lo?) możliwy dodatkowy prescreening dla dla czwórek (αβ γδ) testowa macierz gestości zdefiniowana jako: D αγ = max ij P C αi C γj wraz z nierównościa Schwartza pozwala zredukować liczbe potrzebnych ca lek do O(N) D αγ (αβ αβ) 1 2 (γδ γδ) 1 2 ɛ

Trudności cd. Transformacja AO MO najbardziej efektywnie wykonywana w czterech krokach: (ia jb) = C αi C βa C γj C δb (αβ γδ) α γ β naiwna implementacja daje koszt O(N 3 ) użycie testowych macierzy g estości pozwala zachować liniowe skalowanie kosztu zarówno jeśli chodzi o czas jak i pami eć skaluje si e liniowo, ale kodowanie nie należy do najprostszych δ

Po l aczenie elongacji i metoda elongacji dostarcza dobrze zlokalizowanych (regionalnie) orbitali zarówno w podprzestrzeni zaj etych jak i wirtualnych wybór korelujacych par jak w lub np. przybliżenie najbliższych sasiadów (regionów) podprzestrzeń wirtualna jest w metodzie elongacji ortogonalna, co pozwala uprościć formalizm: R ij = K ij + FT ij + T ij F k F ikt kj + T ik F kj

Zyski i problemy przetransformowane ca lki (w bazie MO) dla cześci zamrożonych moga być zapisywane i używane w kolejnych krokach elongacji rozmiar zagadnienia transformacji jest asymptotycznie sta ly amplitudy T dla wzbudzeń w cześci zamrażanej moga być użyte w kolejnych krokach: lepszy start procedury iteracyjnej zachowywane (jeśli zaniedbać sprzeżenia od któregoś poziomu) problem usuwania wodoru

Krótkie podsumowanie Dwie uprawiane dzia lki implementacja w GAMESS-ie Drobne trudności liniowo skalujaca sie transformacja AO MO niewielkie wsparcie w GAMESS-ie dla nowoczesnych, lokalnych metodologii

Podsumowanie podsumowań metoda elongacji zaimplementowana, efektywna i wystarczajaco dok ladna na poziomie metod jednowyznacznikowych (HF, KS) możliwe uogólnienia wychodzace poza HF EM-CPHF, EM-TDHF EM-CC??

Lista p lac dr Yuriko Aoki dr Feng Long Gu dr Yuuichi Orimoto dr Jacek Korchowiec autor