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Deep machine learning potential for atomistic simulation of Fe-Si-O systems under Earth's outer core conditions

三元运算 分子动力学 原子间势 二进制数 密度泛函理论 物理 材料科学 芯(光纤) 结晶学 机器学习 热力学 计算机科学 化学 数学 量子力学 程序设计语言 光学 算术
作者
Chao Zhang,Ling Tang,Yang Sun,Kai‐Ming Ho,Renata M. Wentzcovitch,Cai‐Zhuang Wang
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:6 (6) 被引量:15
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.6.063802
摘要

Using artificial neural-network machine learning (ANN-ML) to generate interatomic potentials has been demonstrated to be a promising approach to address the longstanding challenge of accuracy vs efficiency in molecular dynamics (MD) simulations. Here, taking the Fe-Si-O system as a prototype, we show that accurate and transferable ANN-ML potentials can be developed for reliable MD simulations of materials at high-pressure and high-temperature conditions of the Earth's outer core. The ANN-ML potential for the Fe-Si-O system is trained by fitting the energies and forces of related binaries and ternary liquid structures at high pressures and temperatures obtained by first-principles calculations based on density functional theory (DFT). We show that the generated ANN-ML potential describes well the structure and dynamics of liquid phases of this complex system. In addition to binary systems (${\mathrm{Fe}}_{189}{\mathrm{Si}}_{61}, {\mathrm{Fe}}_{189}{\mathrm{O}}_{61}$, and ${\mathrm{Si}}_{80}{\mathrm{O}}_{160}$) and ternary systems (${\mathrm{Fe}}_{189}{\mathrm{Si}}_{38}{\mathrm{O}}_{23}$), whose snapshots are included in the training dataset, the reliability of the ANN-ML potential is validated in two other ternary systems (${\mathrm{Fe}}_{189}{\mathrm{Si}}_{23}{\mathrm{O}}_{38}$ and ${\mathrm{Fe}}_{158}{\mathrm{Si}}_{14}{\mathrm{O}}_{28}$), whose snapshots are not included in the training dataset. The efficient ANN-ML potential with DFT accuracy provides a promising scheme for accurate atomistic simulations of structures and dynamics of the complex Fe-Si-O system in the Earth's outer core.
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