Jump to content

Кинетический Монте-Карло

Кинетический Монте-Карло (КМК) метод представляет собой компьютерное моделирование метода Монте-Карло, предназначенное для моделирования временной эволюции некоторых процессов, происходящих в природе. Обычно это процессы, которые происходят с известной скоростью перехода между состояниями. Эти ставки являются входными данными для алгоритма KMC; сам метод не может их предсказать.

Метод КМК по сути аналогичен динамическому методу Монте-Карло и алгоритму Гиллеспи .

Алгоритмы

[ редактировать ]

Одна из возможных классификаций алгоритмов KMC - это KMC с отклонением (rKMC) и KMC без отклонения (rfKMC).

КМК без отказов

[ редактировать ]
Скорость перехода между одним начальным и четырьмя конечными состояниями
На каждом шаге система может перейти в несколько конечных состояний, при этом скорости перехода между начальным состоянием и всеми возможными конечными состояниями должны быть известны.
Выбор конечного состояния: случайная переменная выбирается между 0 и Γ tot ; вероятность того, что система перейдет в состояние i, пропорциональна Γ i .

Алгоритм rfKMC, часто называемый только KMC, для моделирования эволюции системы во времени, в которой некоторые процессы могут происходить с известными скоростями r, можно записать, например, следующим образом: [1] : 13–14 

  1. Установите время .
  2. Выберите начальное состояние k .
  3. Формируем список всех возможные скорости перехода в системе , из состояния k в общее состояние i . Состояния, которые не связываются с k, будут иметь .
  4. Вычислить кумулятивную функцию для . Общая ставка составляет .
  5. Получить однородное случайное число .
  6. Найдите событие, которое должно выполнить i, найдя i, для которого (этого можно эффективно достичь с помощью двоичного поиска ).
  7. Выполнить событие i (обновить текущее состояние ).
  8. Получить новое равномерное случайное число .
  9. Обновите время с помощью , где . Обратите внимание, что этот временной интервал представляет собой время, прошедшее между предыдущим событием и этим, а не временной интервал между этим событием и следующим. [1] : 17–18 
  10. Вернитесь к шагу 3.

(Примечание: поскольку среднее значение равен единице, тот же средний масштаб времени можно получить, используя вместо этого на шаге 9. Однако в этом случае задержка, связанная с переходом i, не будет взята из распределения Пуассона, описываемого скоростью , но вместо этого будет средним значением этого распределения. [ нужна ссылка ] )

Этот алгоритм известен в разных источниках под разными названиями: алгоритм времени пребывания , n -кратный способ или алгоритм Борца-Калоса-Лебовица (BKL) . Важно отметить, что рассматриваемый временной шаг является функцией вероятности того, что все события i не произошли. [1] : 13–14 

Отказ от КМК

[ редактировать ]

Отклонение KMC обычно имеет преимущество более простой обработки данных и более быстрых вычислений для каждого предпринятого шага, поскольку получение всех данных требует много времени. не нужен.С другой стороны, время, выделяющееся на каждом шаге, меньше, чем для rfKMC. Относительный вес плюсов и минусов варьируется в зависимости от конкретного случая и имеющихся ресурсов.

rKMC, связанный с теми же скоростями перехода, что и выше, можно записать следующим образом:

  1. Установите время .
  2. Выберите начальное состояние k .
  3. Получить номер всех возможных скоростей перехода из состояния k в общее состояние i .
  4. Найдите событие -кандидат для выполнения i путем равномерной выборки из переходы выше.
  5. Примите событие с вероятностью , где является подходящей верхней границей для . Зачастую легко найти без необходимости вычислять все (например, для вероятности перехода в мегаполисе).
  6. Если принято, выполните событие i (обновите текущее состояние ).
  7. Получить новое равномерное случайное число .
  8. Обновите время с помощью , где .
  9. Вернитесь к шагу 3.

(Примечание: может переходить от одного шага MC к другому.)Этот алгоритм обычно называют стандартным алгоритмом .

Теоретический [2] и числовые [1] [3] было проведено сравнение алгоритмов.

Временные алгоритмы

[ редактировать ]

Если ставки зависят от времени, шаг 9 в rfKMC должен быть изменен следующим образом: [4]

.

После этого необходимо выбрать реакцию (шаг 6)

Другой очень похожий алгоритм называется методом первой реакции (FRM). Он заключается в выборе первой возникшей реакции, то есть выборе наименьшего времени. , и соответствующий номер реакции i по формуле

,

где являются N случайными числами.

Комментарии к алгоритму

[ редактировать ]

Ключевое свойство алгоритма КМК (и алгоритма FRM) состоит в том, что если скорости корректны, если процессы, связанные со скоростями, относятся к типу пуассоновских процессов и если разные процессы независимы (т.е. не коррелированы), то КМК Алгоритм дает правильный временной масштаб для эволюции моделируемой системы. Были некоторые споры о правильности шкалы времени для алгоритмов rKMC, но ее правильность также была строго доказана. [2]

Если, кроме того, переходы следуют подробному балансу , алгоритм KMC можно использовать для моделирования термодинамического равновесия. Однако КМК широко используется для моделирования неравновесных процессов. [5] в этом случае подробный баланс не требуется соблюдать.

Алгоритм rfKMC эффективен в том смысле, что каждая итерация гарантированно приводит к переходу. Однако в представленной выше форме требуется операций для каждого перехода, что не слишком эффективно. Во многих случаях это можно значительно улучшить, объединив одни и те же типы переходов в ячейки и/или сформировав древовидную структуру данных событий. Недавно был разработан и протестирован алгоритм масштабирования такого типа с постоянным временем. [6]

Основным недостатком rfKMC является то, что все возможные ставки и реакции должны быть известны заранее. Сам метод ничего не может сделать для их предсказания. Скорости и реакции должны быть получены с помощью других методов, таких как диффузионные (или другие) эксперименты, молекулярная динамика или моделирование теории функционала плотности .

Примеры использования

[ редактировать ]

KMC использовался при моделировании следующих физических систем:

  1. Поверхностная диффузия
  2. Поверхностный рост [7]
  3. Диффузия вакансий в сплавах (это было первоначальное использование [8] )
  4. Ускорение эволюции доменов
  5. Подвижность и кластеризация дефектов в твердых телах, облученных ионами или нейтронами, включая, помимо прочего, модели накопления повреждений и модели аморфизации/рекристаллизации.
  6. Вязкоупругость физически сшитых сетей [9]

Чтобы дать представление о том, какими могут быть «объекты» и «события» на практике, приведем один конкретный простой пример, соответствующий примеру 2 выше.

Рассмотрим систему, в которой отдельные атомы осаждаются на поверхность по одному (типично для физического осаждения из паровой фазы ), но также могут мигрировать по поверхности с некоторой известной скоростью скачка. . В этом случае «объектами» алгоритма КМС являются просто отдельные атомы.

Если два атома оказываются рядом друг с другом, они становятся неподвижными. Тогда поток входящих атомов определяет скорость r депозита , и систему можно смоделировать с помощью KMC, учитывая все осажденные мобильные атомы, которые (еще) не встретились с аналогом и не стали неподвижными. Таким образом, на каждом этапе KMC возможны следующие события:

  • Новый атом приходит с депозитом по ставке
  • Уже осажденный атом прыгает на один шаг со скоростью w .

После того, как событие было выбрано и выполнено с помощью алгоритма KMC, необходимо проверить, не стал ли новый или только что перескочивший атом непосредственно соседним с каким-либо другим атомом. Если это произошло, то атом(ы), которые теперь являются соседними, необходимо удалить из списка мобильных атомов, а соответственно их события прыжка удалить из списка возможных событий.

Естественно, применяя КМК к задачам физики и химии, нужно сначала подумать, достаточно ли хорошо реальная система следует предположениям, лежащим в основе КМК.Реальные процессы не обязательно имеют четко определенные скорости.переходные процессы могут быть коррелированы в случае скачков атомов или частицскачки могут происходить не в случайных направлениях и т.д. При моделированиив совершенно несопоставимых временных масштабах, необходимо также рассмотреть вопрос о том,новые процессы могут присутствовать в более длительных временных масштабах. Если что-либо из этогопроблемы действительны, временные рамки и эволюция системы предсказаны KMCможет быть искаженным или даже совершенно неправильным.

Первая публикация, в которой были описаны основные особенности метода КМК (а именно использование кумулятивной функции для выбора события и расчета шкалы времени в форме 1/ R ), была сделана Янгом и Элкоком в 1966 году. [8] Примерно в то же время был опубликован алгоритм времени пребывания. [10]

Очевидно, независимо от работ Янга и Элкока, Борца, Калоса и Лебовица. [1] разработали алгоритм KMC для моделирования модели Изинга , который они назвали n-кратным способом . Основы их алгоритма такие же, как у Янга, [8] но они предоставляют гораздо более подробную информацию о методе.

В следующем году Дэн Гиллеспи опубликовал то, что сейчас известно как алгоритм Гиллеспи для описания химических реакций. [11] Алгоритм аналогичен и схема продвижения по времени, по сути, такая же, как и в КМК.

На момент написания этой статьи (июнь 2006 г.) не существовало окончательного трактата по теории КМК, но Фихторн и Вайнберг подробно обсудили теорию моделирования термодинамического равновесия КМК. [12] Хорошее введение также дает Art Voter, [13] [1] и APJ Янсен, [14] [2] и недавний обзор (Chatterjee 2007). [15] или (Чотия 2008). [16] Обоснование KMC как обобщенной динамики Ланжевена с использованием подхода квазистационарного распределения было развито Т. Лельевром и его сотрудниками. [17] [18]

выпустила, вероятно, первое коммерческое программное обеспечение, использующее Kinetic Monte Carlo для моделирования диффузии и активации/деактивации легирующих примесей в кремнии и кремниеподобных материалах В марте 2006 года компания Synopsys , о чем сообщили Мартин-Брагадо и др. [19]

Разновидности КМК

[ редактировать ]

Метод КМК можно подразделить по тому, как движутся объекты или происходят реакции. По крайней мере, используются следующие подразделения:

  • Решетка КМК ( ЛКМК ) означает КМК, выполненную на атомной решетке . Часто эту разновидность еще называют атомистической КМК, ( АКМК ). Типичным примером является моделирование вакансий диффузии в сплавах , где вакансия может прыгать по решетке со скоростью, зависящей от локального элементного состава. [20]
  • Объект КМК ( ОКМК ) означает КМК, проводимый для дефектов или примесей , скачущих либо в случайных, либо в решеточно-специфичных направлениях. В моделирование включены только положения прыгающих объектов, а не положения «фоновых» атомов решетки. Базовый шаг KMC — прыжок на один объект.
  • Событие KMC ( EKMC ) или KMC первого прохождения ( FPKMC ) означает разновидность OKMC, в которой следующая реакция между объектами (например, кластеризация двух примесей или вакансии - межузельная аннигиляция) выбирается с помощью алгоритма KMC с учетом положения объекта, и это событие затем немедленно выполняется. [21] [22]
  1. ^ Jump up to: а б с д и Бортц, AB; Калос, Миннесота; Лебовиц, Дж. Л. (1975). «Новый алгоритм моделирования спиновых систем Изинга методом Монте-Карло». Журнал вычислительной физики . 17 (1). Эльзевир Б.В.: 10–18. Бибкод : 1975JCoPh..17...10B . дои : 10.1016/0021-9991(75)90060-1 . ISSN   0021-9991 .
  2. ^ Jump up to: а б Серебрянский, Сантьяго А. (31 марта 2011 г.). «Физическая шкала времени в кинетическом моделировании цепей Маркова с непрерывным временем по методу Монте-Карло». Физический обзор E . 83 (3). Американское физическое общество (APS): 037701. Бибкод : 2011PhRvE..83c7701S . дои : 10.1103/physreve.83.037701 . ISSN   1539-3755 . ПМИД   21517635 .
  3. ^ Садик, Абдулла (1984). «Новый алгоритм моделирования кинетики спинового обмена систем Изинга методом Монте-Карло». Журнал вычислительной физики . 55 (3). Эльзевир Б.В.: 387–396. Бибкод : 1984JCoPh..55..387S . дои : 10.1016/0021-9991(84)90028-7 . ISSN   0021-9991 .
  4. ^ Прадос, А.; Брей, Джей-Джей; Санчес-Рей, Б. (1997). «Динамический алгоритм Монте-Карло для основных уравнений с зависящей от времени скоростью перехода». Журнал статистической физики . 89 (3–4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 709–734. Бибкод : 1997JSP....89..709P . дои : 10.1007/bf02765541 . ISSN   0022-4715 . S2CID   122985615 .
  5. ^ Мэн, Б.; Вайнберг, WH (1994). «Моделирование температурно-программируемых спектров десорбции методом Монте-Карло». Журнал химической физики . 100 (7). Издательство AIP: 5280–5289. Бибкод : 1994ЖЧФ.100.5280М . дои : 10.1063/1.467192 . ISSN   0021-9606 .
  6. ^ Слепой, Александр; Томпсон, Эйдан П.; Плимптон, Стивен Дж. (28 мая 2008 г.). «Кинетический алгоритм Монте-Карло с постоянным временем для моделирования больших сетей биохимических реакций». Журнал химической физики . 128 (20). Издательство АИП: 205101. Бибкод : 2008JChPh.128t5101S . дои : 10.1063/1.2919546 . ISSN   0021-9606 . ПМИД   18513044 .
  7. ^ Мэн, Б.; Вайнберг, WH (1996). «Динамические исследования методом Монте-Карло моделей молекулярно-лучевого эпитаксиального роста: межфазное масштабирование и морфология». Поверхностная наука . 364 (2). Эльзевир Б.В.: 151–163. Бибкод : 1996SurSc.364..151M . дои : 10.1016/0039-6028(96)00597-3 . ISSN   0039-6028 .
  8. ^ Jump up to: а б с Янг, В.М.; Элкок, EW (1966). «Исследование Монте-Карло миграции вакансий в бинарных упорядоченных сплавах: I». Труды Физического общества . 89 (3). Издательство ИОП: 735–746. Бибкод : 1966PPS....89..735Y . дои : 10.1088/0370-1328/89/3/329 . ISSN   0370-1328 .
  9. ^ Берле, Стефан А.; Усами, Такао; Гусев, Андрей А. (2006). «Новый подход многомасштабного моделирования для прогнозирования механических свойств наноматериалов на основе полимеров». Полимер . 47 (26). Эльзевир Б.В.: 8604–8617. doi : 10.1016/j.polymer.2006.10.017 . ISSN   0032-3861 .
  10. ^ Д. Р. Кокс и Х. Д. Миллер, Теория случайных процессов (Метуэн, Лондон), 1965, стр. 6–7.
  11. ^ Гиллеспи, Дэниел Т. (1976). «Общий метод численного моделирования стохастической временной эволюции связанных химических реакций». Журнал вычислительной физики . 22 (4). Эльзевир Б.В.: 403–434. Бибкод : 1976JCoPh..22..403G . дои : 10.1016/0021-9991(76)90041-3 . ISSN   0021-9991 .
  12. ^ Фихторн, Кристен А .; Вайнберг, WH (15 июля 1991 г.). «Теоретические основы динамического моделирования Монте-Карло». Журнал химической физики . 95 (2). Издательство AIP: 1090–1096. Бибкод : 1991JChPh..95.1090F . дои : 10.1063/1.461138 . ISSN   0021-9606 .
  13. ^ AF Voter, Введение в кинетический метод Монте-Карло, в книге «Радиационные эффекты в твердых телах», под редакцией К.Е. Сикафуса и Е.А. Котомина (Springer, Издательское подразделение НАТО, Дордрехт, Нидерланды, 2005).
  14. ^ APJ Янсен, Введение в моделирование поверхностных реакций методом Монте-Карло, конденсированное вещество, абстрактное cond-mat/0303028 .
  15. ^ Чаттерджи, Абхиджит; Влахос, Дионисиос Г. (28 февраля 2007 г.). «Обзор пространственных микроскопических и ускоренных кинетических методов Монте-Карло». Журнал компьютерного дизайна материалов . 14 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 253–308. Бибкод : 2007JCMD...14..253C . дои : 10.1007/s10820-006-9042-9 . ISSN   0928-1045 . S2CID   53336314 .
  16. ^ Чотия, Амодсен; Вито, Матье; Фогт, Тибо; Компарат, Дэниел; Пийе, Пьер (30 апреля 2008 г.). «Кинетическое моделирование дипольной блокады методом Монте-Карло в эксперименте с возбуждением Ридберга» . Новый журнал физики . 10 (4). Издание IOP: 045031. arXiv : 0803.4481 . Бибкод : 2008NJPh...10d5031C . дои : 10.1088/1367-2630/10/4/045031 . ISSN   1367-2630 .
  17. ^ Ди Джезу, Джакомо; Лельевр, Тони; Ле Петрек, Дориан; Некту, Борис (2016). «Модели скачка Маркова и теория переходного состояния: подход квазистационарного распределения». Фарадеевские дискуссии . 195 : 469–495. arXiv : 1605.02643 . Бибкод : 2016ФаДи..195..469Д . дои : 10.1039/C6FD00120C . ISSN   1364-5498 . ПМИД   27740662 . S2CID   25564764 .
  18. ^ Лельевр, Тони (2018). «Математические основы методов ускоренной молекулярной динамики». В Андреони, Ванда; Ага, Сидни (ред.). Справочник по моделированию материалов . Спрингер. стр. 773–803. arXiv : 1801.05347 . дои : 10.1007/978-3-319-44677-6_27 . ISBN  978-3-319-44677-6 .
  19. ^ Мартин-Брагадо, Игнасио; Тиан, С.; Джонсон, М.; Кастрильо, П.; Пиначо, Р.; Рубио, Дж.; Джарайс, М. (2006). «Моделирование заряженных дефектов, механизмов диффузии примесей и активации для моделирования TCAD с использованием кинетического Монте-Карло». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 253 (1–2). Эльзевир Б.В.: 63–67. Бибкод : 2006НИМПБ.253...63М . дои : 10.1016/j.nimb.2006.10.035 . ISSN   0168-583X .
  20. ^ Мейсон, доктор медицинских наук; Хадсон, Т.С.; Саттон, AP (январь 2005 г.). «Быстрый вызов истории состояний в кинетическом моделировании Монте-Карло с использованием ключа Зобриста». Компьютерная физика. Коммуникации . 165 (1): 37–48. Бибкод : 2005CoPhC.165...37M . дои : 10.1016/j.cpc.2004.09.007 .
  21. ^ Далла Торре, Дж.; Боке, Ж.-Л.; Доан, Невада; Адам, Э.; Барбу, А. (2005). «JERK, кинетическая модель Монте-Карло на основе событий для прогнозирования эволюции микроструктуры материалов под облучением». Философский журнал . 85 (4–7). Информа UK Limited: 549–558. Бибкод : 2005PMag...85..549D . дои : 10.1080/02678370412331320134 . ISSN   1478-6435 . S2CID   96878847 .
  22. ^ Опплеструп, Томас; Булатов Василий Владимирович; Гилмер, Джордж Х.; Калос, Малвин Х.; Садыг, Бабак (4 декабря 2006 г.). «Алгоритм Монте-Карло первого прохода: диффузия без всех прыжков». Письма о физических отзывах . 97 (23). Американское физическое общество (APS): 230602. Бибкод : 2006PhRvL..97w0602O . дои : 10.1103/physrevlett.97.230602 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   17280187 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4fc617549b496bb3ba25774ad6050bc3__1720464000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4f/c3/4fc617549b496bb3ba25774ad6050bc3.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Kinetic Monte Carlo - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)