从头计算分子动力学 - 计算凝聚态物理研究组.pdfVIP

第18卷　第1期 物　理　学　进　展 V o l. 18, N o. 1 1998年　　3月 PROCR ESS IN PH YS ICS M arch. , 1998 从头计算分子动力学 赵宇军　姜 明　曹培林 (杭州　浙江大学物理系　310027) 提　　要 、 首次提出的从头计算分子动力学方法有机地结合了密度泛函理论和分子 Car Parrinello 动力学技术, 是目前计算机模拟实验中最先进最重要的方法之一。本文简要地阐述了从头计 算分子动力学方法的原理和具体实现, 以及近年来这一方法的发展和重要应用。 一、引　　言 分子动力学计算机模拟是研究复杂的凝聚态系统的有力工具[ 1, 2 ]。这一技术既能得到 原子的运动轨迹, 还能象做实验一样作各种观察。对于平衡系统, 可以在一个分子动力学 观察时间(observa tion tim e) 内作时间平均来计算一个物理量的统计平均值, 对于一个非 ( ) 平衡系统过程, 只要发生在一个分子动力学观察时间内 一般为1～ 10 的物理现象也可 p s 以用分子动力学计算进行直接模拟。可见数值实验是对理论和实验的有力补充, 特别是许 多与原子有关的微观细节, 在实际实验中无法获得, 而在计算机模拟中可以方便地得到。 这种优点使分子动力学在材料科学中显得非常有吸引力。因为许多人们感兴趣的领域, 如 晶格生长、外延生长(ep itaxy ) 、离子移植、缺陷运动、无定型结构(am orp hous structu re ) 、 表面与界面的重构等问题, 原则上都可以进行计算机模拟研究。 分子动力学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的, 这意味着原子的运动是与特 定的轨道联系在一起的。当核运动的量子效应可以忽略, 以及绝热近似严格成立时, 分子 动力学的这一假定是可行的。绝热近似也就是要求在分子动力学过程中, 每一时刻电子均 要处在相应原子结构的基态。大多数情形下, 这一条件都是满足的。要进行分子动力学模 拟需要知道原子间正确的相互作用势, 从而必须知道相应的电子基态。电子基态的计算是 一个非常困难的量子多体问题。好在密度泛函的引入使这方面的计算有了很大的简化, 意 味着我们可以把这一多体问题转化为一组自洽的单粒子轨道方程[ 3, 4 ]。对交换相关势采用 局域密度近似, 这组方程就实际可解了[ 4, 5 ]。这是目前凝聚态物理电子结构计算中普遍采 用的方法。对于非强相关系统, 局域密度泛函非常有效。在局域密度泛函基础上的第一原 [ 5 ] 理性计算, 在研究原子、分子、和晶体的结构中取得了巨大的成功 。然而由于计算上的复 杂性, 基于局域密度泛函的第一性原理计算长期以来认为是不可能直接用于统计力学模 4 6 拟, 因为上百个原子的模拟就需要对10 10 种原子构型作电子结构计算。因此, 在分子动 力学模拟中一般只能采用经验势来代替原子间实际作用势。一般就用 势 L ennard Jones © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 48 物