Летающий кубик льда

В молекулярной динамики моделировании (МД) эффект летающего кубика льда является артефактом, в котором энергия высокочастотных фундаментальных мод перетекает в низкочастотные моды, особенно в движения с нулевой частотой, такие как общее перемещение и вращение системы. Артефакт получил свое название от особенно заметного проявления, возникающего при моделировании частиц в вакууме , когда моделируемая система приобретает высокий линейный импульс и испытывает чрезвычайно затухающие внутренние движения, замораживающие систему до единой конформации, напоминающей кубик льда или другую твердую форму. тело летит в космосе. Артефакт целиком является следствием алгоритмов молекулярной динамики и совершенно нефизичен, поскольку нарушает принцип равнораспределения энергии .

Происхождение и избегание

Артефакт летающих кубиков льда возникает в результате неоднократного изменения масштаба скоростей частиц в системе моделирования. Изменение масштаба скорости - это средство наложения термостата на систему путем умножения скоростей частиц системы на коэффициент после завершения временного шага интегрирования, как это делается с помощью термостата Берендсена и термостата Бюсси – Донадио – Парринелло. Эти схемы терпят неудачу, когда масштабирование выполняется для распределения кинетической энергии ансамбля, который не является инвариантным относительно микроканонической молекулярной динамики ; таким образом, термостат Берендсена (который пересчитывается в изокинетический ансамбль) демонстрирует артефакт, а термостат Бюсси – Донадио – Парринелло термостат (который масштабируется до канонического ансамбля) не обнаруживает артефакта. Изменение масштаба до ансамбля, который не является инвариантным в условиях микроканонической молекулярной динамики, приводит к нарушению условия баланса, которое является требованием моделирования Монте-Карло (моделирование молекулярной динамики с термостатами изменения масштаба скорости можно рассматривать как моделирование Монте-Карло с движениями молекулярной динамики и скоростью). изменение масштаба ходов), что является основной причиной появления артефакта.

Когда проблема летающих кубиков льда была впервые обнаружена, метод Бюсси–Донадио–Парринелло Термостат еще не был разработан, и было желательно продолжать использовать термостат Берендсена из-за эффективности, с которой термостаты с изменением масштаба скорости расслабляют системы до желаемых температур. Таким образом, были даны предложения избежать эффекта летающего кубика льда под термостатом Берендсена, например, периодически устранять движения центра масс и использовать более длительное время температурной связи. Однако совсем недавно было рекомендовано полностью отказаться от использования термостата Берендсена в пользу термостата Бюсси-Донадио-Парринелло. термостат, так как было показано, что последний термостат не проявляет эффекта летящего кубика льда.