Machine-Learned Kohn–Sham Hamiltonian Mapping for Nonadiabatic Molecular Dynamics

Kohn-Sham方程 哈密顿量(控制论) 统计物理学 物理 分子动力学 密度泛函理论 计算机科学 经典力学 量子力学 数学 数学优化
作者
Mohammad Shakiba,Alexey V. Akimov
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:20 (8): 2992-3007 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.4c00008
摘要

In this work, we report a simple, efficient, and scalable machine-learning (ML) approach for mapping non-self-consistent Kohn-Sham Hamiltonians constructed with one kind of density functional to the nearly self-consistent Hamiltonians constructed with another kind of density functional. This approach is designed as a fast surrogate Hamiltonian calculator for use in long nonadiabatic dynamics simulations of large atomistic systems. In this approach, the input and output features are Hamiltonian matrices computed from different levels of theory. We demonstrate that the developed ML-based Hamiltonian mapping method (1) speeds up the calculations by several orders of magnitude, (2) is conceptually simpler than alternative ML approaches, (3) is applicable to different systems and sizes and can be used for mapping Hamiltonians constructed with arbitrary density functionals, (4) requires a modest training data, learns fast, and generates molecular orbitals and their energies with the accuracy nearly matching that of conventional calculations, and (5) when applied to nonadiabatic dynamics simulation of excitation energy relaxation in large systems yields the corresponding time scales within the margin of error of the conventional calculations. Using this approach, we explore the excitation energy relaxation in C
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