Un thermostat quantique pour inclure les effets quantiques nucléaires
Quantum Thermal Bath for Nuclear Quantum Effects calculations
Hichem Dammak
Laboratoire SPMS, CentraleSupélec, CNRS, Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France
Mercredi 22 Mai 2019, 11h00
bibliothèque LCT, tour 12 - 13, 4ème étage
La méthode PIMD (path integral molecular dynamics) [1], basée sur le formalisme développé par R. Feynman, est largement utilisée depuis les années 1980 pour prendre en compte les fluctuations quantiques nucléaires sur la dynamique des atomes. Cependant, l'énorme temps de calcul requis pour la méthode PIMD réduit son champ d'application, en particulier à basse température et lors de l'utilisation de la méthode ab initio pour le calcul des forces interatomiques.
Nous avons développé une technique alternative basée sur un thermostat quantique (QTB) [2] qui réduit de façon importante le temps de calcul.
La méthode QTB a donné des résultats satisfaisants pour des systèmes faiblement anharmoniques [2,3]. Pour les systèmes fortement anharmoniques, la méthode QTB est soumise au problème de la fuite d'énergie du point zéro (ZPEL) qui est inhérent à l'utilisation de la mécanique classique. En effet, une partie de l'énergie des modes de haute fréquence est transférée vers les modes de basse fréquence, ce qui entraîne une mauvaise distribution de l'énergie. Nous avons montré que pour réduire, voire éliminer le ZPEL, il suffit d'augmenter la valeur du coefficient de friction du QTB [4]. Une autre façon de résoudre le problème ZPEL est de combiner les techniques QTB et PIMD [5].
Des résultats obtenus par les méthodes QTB-MD et QTB-PIMD sur le désordre de position des protons dans un cristal moléculaire seront présenté [6].
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References:
[1] G. Geneste, H. Dammak, M. Hayoun, and M. Thiercelin, Phys. Rev. B 2013, 87, 014113.
[2] H. Dammak, Y. Chalopin, M. Laroche, M. Hayoun, and J.-J. Greffet, Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 190601.
[3] H. Dammak, E. Antoshchenkova, M. Hayoun, and F. Finocchi, J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24, 435402.
[4] F. Brieuc, Y. Bronstein, H. Dammak, P. Depondt, F. Finocchi, and M. Hayoun, J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 5688.
[5] F. Brieuc, H. Dammak, and M. Hayoun, J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 1351.
[6] H. Dammak, F. Brieuc, G. Geneste, M. Torrent, and M. Hayoun, Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 3211.
Quantum Thermal Bath for Nuclear Quantum Effects calculations
The path integral molecular dynamics (PIMD) method [1], based on the formalism developed by R. Feynman, is widely used since 1980s to take into account nuclear quantum fluctuations on the dynamics of atoms. However, the huge computation time required for the PIMD reduces its range of applicability, in particular at low temperature and when using a first-principles description of the interatomic forces.
We developed an alternative technique based on a quantum thermal bath (QTB) [2] which significantly reduces the computation time.
The QTB method has yielded satisfactory results for weakly anharmonic systems [2,3]. For highly anharmonic systems, QTB is subject to the problem of zero-point energy leakage (ZPEL) which is inherent in the use of classical mechanics. Indeed, a part of the energy of the high-frequency modes is transferred to the low-frequency modes leading to a wrong energy distribution. We have shown that in order to reduce or even eliminate ZPEL, it is sufficient to increase the value of the frictional coefficient [4]. Another way to solve the ZPEL problem is to combine the QTB and PIMD techniques [5].
Results obtained by the QTB-MD and QTB-PIMD methods on the disorder of proton position in a molecular crystal will be presented [6].