Full centroid molecular dynamics through machine learning

• Thesis title in Czech: Plná centroid molekulární dynamika pomocí strojového učení
• Thesis title in English: Full centroid molecular dynamics through machine learning
• Key words: centroid|molekulární dynamika|strojové učení|dráhové integrály|molekulární systémy|vibrační spektra
• English key words: centroid|molecular dynamics|machine learning|path integrals|molecular systems|vibrational spectra
• Academic year of topic announcement: 2022/2023
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Ondřej Maršálek, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 24.01.2023
• Date of assignment: 24.01.2023
• Confirmed by Study dept. on: 23.02.2023
• Date and time of defence: 01.09.2023 09:00
• Date of electronic submission: 20.07.2023
• Date of submission of printed version: 20.07.2023
• Date of proceeded defence: 01.09.2023
• Opponents: prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.

Guidelines

- Prostudovat odbornou literaturu k tématu a získat přehled o dráhově integrálních metodách v molekulárních simulacích.
- Implementovat dráhově integrální molekularní dynamiku pro modelové systémy v nízké dimenzi
- Osvojit si dráhově integrální výpočty pro atomistické systémy v programech CP2K a i-PI
- Provádět centroid MD a thermostatted ring polymer MD výpočty pro modelové systémy a kapalnou vodu
- Charakterizovat dynamiku v těchto simulacích pomocí 1D a 2D vibračních spekter
- Implementovat výpočet efektivního potenciálu pro centroid pro modelové systémy
- Připravit tréninková data pro tvorbu modelu potenciálu pro centroid
- Provést simulace s výsledným potenciálem a srovnat je s adiabatickou centroid MD

References

[1] Mark Tuckerman, Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation, Oxford University Press, Oxford, 2010
[2] Richard P. Feynman and Hagen Kleinert, Effective classical partition functions, Phys. Rev. A 34, 5080 (1986), https://doi.org/10.1103/PhysRevA.34.5080
[3] Jianshu Cao and Gregory A. Voth, The formulation of quantum statistical mechanics based on the Feynman path centroid density. I. Equilibrium properties, J. Chem. Phys. 100, 5093 (1994), https://doi.org/10.1063/1.467175
[4] Jianshu Cao and Gregory A. Voth, The formulation of quantum statistical mechanics based on the Feynman path centroid density. II. Dynamical properties
J. Chem. Phys. 100, 5106 (1994); https://doi.org/10.1063/1.467176
[5] Seogjoo Jang and Gregory A. Voth, A derivation of centroid molecular dynamics and other approximate time evolution methods for path integral centroid variables, J. Chem. Phys. 111, 2371 (1999); https://doi.org/10.1063/1.479515
[6] Seogjoo Jang and Gregory A. Voth Path integral centroid variables and the formulation of their exact real time dynamics, J. Chem. Phys. 111, 2357 (1999); https://doi.org/10.1063/1.479514
[7] Scott Habershon, David E. Manolopoulos, Thomas E. Markland, and Thomas F. Miller III, Ring-Polymer Molecular Dynamics: Quantum Effects in Chemical Dynamics from Classical Trajectories in an Extended Phase Space, Annual Review of Physical Chemistry 64, 387-413 (2013), https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-040412-110122
A další literatura dle dohody s vedoucím.

Preliminary scope of work

Dráhově integrální molekulární dynamika nabízí způsob, jak zahrnout kvantové vlastnosti atomových jader do simulací molekulárních systémů. Takové simulace jsou však výpočetně nákladnější než simulace s klasickými jádry, obzvláště pokud se jedná o tzv. centroid MD. Pokud by se podařilo předpřipravit efektivní potenciál pro centroid tak, že za běhu simulace již nebude potřeba provádět dráhově integrální výpočet, výrazně by to zefektivnilo centroid MD simulace a umožnilo získat nové výsledky pro větší a složitější systémy. V této práci se pokusíme tohoto cíle dosáhnout pomocí kombinace přípravných explicitně dráhově integrálních simulací a strojového učení.