JP2010146368A - シミュレーション方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】N個の粒子を含み各質量がmの粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギを、粒子間距離に対する依存性を表す無次元化関数f及び相互作用係数εの積εfで表せる粒子系Sを考え、粒子系Sが配置される空間の次元数dを用い、1より大きい第1の繰り込み因子αと0以上d以下の第2の繰り込み因子γと0以上の第3の繰り込み因子δとを決定し、繰り込まれた粒子数N´を、変換式N´=N/αdで求め、繰り込まれた粒子の質量m´を、変換式m´=mαδ/αγで求め、繰り込まれた相互作用係数ε´を、変換式ε´=εαγで求める。繰り込まれた粒子数N´個の粒子を含み、各粒子が繰り込まれた粒子の質量m´を有し、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギが、無次元化関数fと、繰り込まれた相互作用係数ε´との積ε´fで表される粒子系S´について、分子動力学計算を実行する。
【選択図】図2
Description
と表される粒子系について考える。ここで、各粒子の質量がmであり、粒子jの運動量ベクトルがpjであり、粒子jの位置ベクトル(位置座標)がqjであり、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギがφである。
及び
が得られる。ここで式(3)において、vjは粒子jの速度ベクトルである。分子動力学では、粒子系を構成する各粒子に対し、式(2)及び(3)で表される運動方程式を数値的に積分して解くことにより、各時刻における各粒子の運動量ベクトル(または速度ベクトル)及び位置ベクトルが求められる。なお、数値積分には、Verlet法が用いられることが多い。Verlet法については、例えば、J.M.Thijssen,“Computational Physics”,Cambridge University Press(1999)のp.175に説明されている。分子動力学計算で得られた各粒子の位置、速度に基づき、系の種々の物理量を算出することができる。
と表される。
例えば、不活性原子に対しては、
という相互作用ポテンシャルが用いられる。ここでrは原子間距離である。相互作用係数ε及び定数σが、原子の種類に対応する値を取る。
と表される。ここで、係数βは、系の温度Tとボルツマン定数kBとによりβ=1/(kBT)と定義される。dΓNは位相空間内の体積要素であり、より詳細には、
と表される。ここで、WNは、N!h3N(hはプランク定数)である。また、Dp N及びDq Nをそれぞれ、
を得る。従って、粒子jについて、鞍点近傍を記述するハミルトニアンは、
となる。ここで、ui及びujは、それぞれ、粒子i及びjの鞍点からの変位を表す。φ″は、粒子間距離rについての2階微分である。
という式を得る。
ただし、ここで、式(12)の2行目へ移るに際して、鞍点近傍以外においても同じ繰り込み変換が成立すると仮定した。αを、第1の繰り込み因子と呼ぶこととする。
という結果が導かれる。ここで、繰り込まれた粒子数N´及び第1の繰り込み因子αが、
という式を得る。δ-関数を積分表示すれば、分配関数の運動エネルギ部分Zpは、以下の様に表せる。
この積分は、以下の公式を使えば容易に実行できる。
と表すことができる。
という関係式が得られる。n回の粗視化では、α=2nとなることは自明である。
と表すことができる。
と表される。
ここで、位相空間の体積素は、結果に影響しない定数を除いて、
である。
及び
から与えられ、
及び
となる。ここで、繰り込まれた時間t´が、繰り込まれた変数q´、p´、m´及びε´に整合するように、
により対応付けられる。粒子系Sのある粒子の位置ベクトルqと、繰り込まれた粒子系S´のある粒子の位置ベクトルq´とは、変換式
により対応付けられる。粒子系Sのある粒子の運動量ベクトルpと、繰り込まれた粒子系S´のある粒子の運動量ベクトルp´とは、変換式
により対応付けられる。粒子系Sの各粒子の質量mと、繰り込まれた粒子系S´の各粒子の質量m´とは、変換式
により対応付けられる。粒子系Sにおける相互作用係数εと、繰り込まれた粒子系S´における相互作用係数ε´とは、変換式
により対応付けられる。
により対応付けられる。
により対応付けられる。
ここで、角周波数がωであり、波数がkである。平衡状態における原子間距離がaである。なお、第2の繰り込み因子γは0とした。式(26)は、長波長の極限において、
となり、第1の繰り込み因子αには無関係になる。
と表される。ここで、相互作用係数εは1.92×10−20[J]であり、定数Aは2.35×1010[m−1]であり、定数r0は2.86×10−10[m]である。粒子間距離がrである。
という式で定義される。ここで、kBはボルツマン定数であり、viは粒子iの速度ベクトルであり、vgは粒子系の重心の速度ベクトルである。温度は、つまり、速度の“揺らぎ”である。繰り込まれた系の温度T´は、
という式から定まる。
という関係が得られる。よって、元の系の温度Tと、繰り込まれた系の温度T´とは等しくなる。第1〜第3のシミュレーションにおいて、粒子系の温度が300[K]となるように、初期速度が与えられる。
運動エネルギΔEによって、運動量ベクトルがλ倍されるとする。つまり、
と表されるとする。式(33)を式(32)に代入することにより、λは、
と表される。時間刻み幅Δtごとに、式(33)により運動量ベクトルを更新することにより、時間刻み幅Δt当たりに運動エネルギΔEが流入するような熱の流入を模擬できる。
と表される。第1のシミュレーションでは、加熱面上の粒子数Nhが400個であり、加熱面の面積Shが2.83×10−17[m2]であり、運動エネルギΔEが4.14×10−24[J]であり、時間刻み幅Δtが5.0[fs]であり、パワーfhが1.17×1010[W/m2]である。
という式で与えられる。運動量ベクトルを更新するための係数λ´は、
という式で与えられる。なお式(31)から、与えられる運動エネルギΔEは元の系と繰り込まれた系とで等しくなる。
という式から求められる。なお、粒子1つ当たりの流入エネルギは、元の系と繰り込まれた系とで等しい。
と表される。ここで、
グラフ中の実線Lが、厳密解を示す。点P1が、従来の分子動力学計算(繰り込み因子α=1の場合に対応)の結果を示す。点P2〜点P5が、それぞれ、繰り込み因子αを、27、215、221、及び228とした場合の結果を示す。繰り込み因子αを大きくすることは、元の系(繰り込まれる前の系)のサイズを大きくすることに対応する。繰り込み因子αを大きくすることにより、小さい波数を得ることができる。繰り込み群分子動力学で得られた結果は、厳密解と良く一致している。このように、繰り込み群分子動力学を用いれば、従来の分子動力学で実行するのが困難な長波長域の計算(連続体とみなせるようなマクロな系に対する計算)を、精度良く行うことができる。
と求められた。これは、X、Y及びZのすべての方向に関する空間的なスケール変換が、共通の繰り込み因子αにより行われることを示す。繰り込み因子αを、X、Y及びZの各方向について独立に設定することも可能である。つまり、異方性を有するスケール変換を行うことも可能である。
により対応付けられる。粒子系Sのある粒子の位置ベクトルqの各成分と、繰り込まれた粒子系S´のある粒子の位置ベクトルq´の各成分とは、変換式
により対応付けられる。ここで、ηは、ベクトルのX,Y、Zのいずれかの成分を示す(以下、(変換式pa)、(変換式va)、及び(変換式ma)においても同様である。)。粒子系Sのある粒子の運動量ベクトルpの各成分と、繰り込まれた粒子系S´のある粒子の運動量ベクトルp´の各成分とは、変換式
により対応付けられる。
により対応付けられる。
により対応付けられる。繰り込まれた系における運動方程式(25)で、方向ごとに、対応する質量が用いられる。
により対応付けられ、粒子系Sにおける時間スケールtと、繰り込まれた粒子系S´におけるスケールt´とは、変換式
により対応付けられる。
N 粒子数
N´ 繰り込まれた粒子数
Claims (11)
- (a)N個の粒子を含み、各粒子の質量がmであり、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギを、粒子間距離に対する依存性を表す無次元化関数f及び相互作用係数εの積εfで表すことができる粒子系Sを考えたとき、該粒子系Sが配置されている空間の次元数dを用い、1より大きい第1の繰り込み因子αと、0以上d以下の第2の繰り込み因子γと、0以上の第3の繰り込み因子δとを決定して、繰り込まれた粒子数N´を、変換式N´=N/αdにより求め、繰り込まれた粒子の質量m´を、変換式m´=mαδ/αγにより求め、繰り込まれた相互作用係数ε´を、変換式ε´=εαγにより求める工程と、
(b)繰り込まれた粒子数N´個の粒子を含み、各粒子が、繰り込まれた粒子の質量m´を有し、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギが、前記無次元化関数fと、繰り込まれた相互作用係数ε´との積ε´fで表される粒子系S´について、分子動力学計算を実行する工程と
を有するシミュレーション方法。 - さらに、
(c)前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた位置ベクトルをq´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた運動量ベクトルをp´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた速度ベクトルをv´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算におけるある時間間隔をt´と表すとき、前記工程(a)で決定された、前記第1の繰り込み因子α、第2の繰り込み因子γ、及び第3の繰り込み因子δのうちの少なくとも1つを用いて、前記粒子系Sに含まれるある粒子の位置ベクトルqを、変換式q=q´αにより求める計算、前記粒子系Sに含まれるある粒子の運動量ベクトルpを、変換式p=p´/αδ/2により求める計算、前記粒子系Sに含まれるある粒子の速度ベクトルvを、変換式v=v´α(−γ+δ/2)により求める計算、及び、前記粒子系Sについて実行すると仮定した分子動力学計算におけるある時間間隔tを、変換式t=t´α(1+γ−δ/2)により求める計算のうち、少なくとも1つの計算を実行する工程
を有する請求項1に記載のシミュレーション方法。 - 前記第2の繰り込み因子γが0である請求項1または2に記載のシミュレーション方法。
- 前記第1の繰り込み因子が、nを正整数として、2nである請求項1〜3のいずれかに記載のシミュレーション方法。
- 前記次元数dが3である請求項1〜4のいずれかに記載のシミュレーション方法。
- (a)N個の粒子を含み、各粒子の質量がmであり、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギを、粒子間距離に対する依存性を表す無次元化関数f及び相互作用係数εの積εfで表すことができる粒子系Sを考えたとき、該粒子系Sが配置されている空間の次元数dを用い、1より大きい第1の繰り込み因子αと、0以上の第3の繰り込み因子δとを決定して、繰り込まれた粒子数N´を、変換式N´=N/αdにより求め、繰り込まれた粒子の質量m´を、変換式m´=mαδにより求める工程と、
(b)繰り込まれた粒子数N´個の粒子を含み、各粒子が、繰り込まれた粒子の質量m´を有し、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギが、前記無次元化関数fと、前記相互作用係数εとの積εfで表される粒子系S´について、分子動力学計算を実行する工程とを有するシミュレーション方法。 - さらに、
(c)前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた位置ベクトルをq´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた運動量ベクトルをp´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(b)における分子動力学計算で求められた速度ベクトルをv´と表すとき、前記工程(a)で決定された前記第1の繰り込み因子αと前記第3の繰り込み因子δの少なくとも一方を用いて、前記粒子系Sに含まれるある粒子の位置ベクトルqを、変換式q=q´α により求める計算、前記粒子系Sに含まれるある粒子の運動量ベクトルpを、変換式p=p´/αδ/2により求める計算、及び前記粒子系Sに含まれるある粒子の速度ベクトルvを、変換式v=v´αδ/2により求める計算のうち、少なくとも1つの計算を実行する工程
を有する請求項6に記載のシミュレーション方法。 - (d)N個の粒子を含み、各粒子の質量がmであり、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギを、粒子間距離に対する依存性を表す無次元化関数f及び相互作用係数εの積εfで表すことができる粒子系Sと、前記粒子系Sが配置されている空間にXYZ直交座標系を考えたとき、それぞれが1より大きいX方向の繰り込み因子αX、Y方向の繰り込み因子αY、及びZ方向の繰り込み因子αZを用いて、繰り込まれた粒子数N´を、変換式N´=N/(αXαYαZ)により求め、更に0以上の繰り込み因子δを決定して、X方向に関する繰り込まれた粒子の質量mX´を、変換式mX´=mαX δにより求め、Y方向に関する繰り込まれた粒子の質量mY´を、変換式mY´=mαY δにより求め、Z方向に関する繰り込まれた粒子の質量mZ´を、変換式mZ´=mαZ δにより求める工程と、
(e)繰り込まれた粒子数N´個の粒子を含み、各粒子が、繰り込まれた粒子の質量m´を有し、粒子間の相互作用ポテンシャルエネルギが、前記無次元化関数fと、前記相互作用係数εとの積εfで表される粒子系S´について、X方向の運動方程式にはX方向に関する繰り込まれた粒子の質量mX´を用い、Y方向の運動方程式にはY方向に関する繰り込まれた粒子の質量mY´を用い、Z方向の運動方程式にはZ方向に関する繰り込まれた粒子の質量mZ´を用いて、分子動力学計算を実行する工程と
を有するシミュレーション方法。 - さらに、
(f)前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(e)における分子動力学計算で求められた位置ベクトルをq´と表し、該位置ベクトルq´のX、Y及びZ方向それぞれの成分を、qX´、qY´、及びqZ´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(e)における分子動力学計算で求められた運動量ベクトルをp´と表し、該運動量ベクトルp´のX、Y及びZ方向それぞれの成分を、pX´、pY´、及びpZ´と表し、前記粒子系S´に含まれるある粒子の、前記工程(e)における分子動力学計算で求められた速度ベクトルをv´と表し、該速度ベクトルv´のX、Y及びZ方向それぞれの成分を、vX´、vY´、及びvZ´と表すとき、前記X方向の繰り込み因子αX、Y方向の繰り込み因子αY、Z方向の繰り込み因子αZ、及び前記工程(d)で決定された繰り込み因子δを用いて、前記粒子系Sに含まれるある粒子の位置ベクトルqのX、Y及びZ方向それぞれの成分qX、qY、及びqZを、それぞれ、変換式qX=qX´αX、qY=qY´αY、及びqZ=qZ´αZにより求める計算、前記粒子系Sに含まれるある粒子の運動量ベクトルpのX、Y及びZ方向それぞれの成分pX、pY、及びpZを,それぞれ、変換式pX=pX´/αX δ/2、pY=pY´/αY δ/2、及びpZ=pZ´/αZ δ/2により求める計算、及び、前記粒子系Sに含まれるある粒子の速度ベクトルvのX、Y及びZ方向それぞれの成分vX、vY、及びvZを,それぞれ、変換式vX=vX´αX δ/2、vY=vY´αY δ/2、及びvZ=vZ´αZ δ/2により求める計算のうち、少なくとも1つの計算を実行する工程
を有する請求項8に記載のシミュレーション方法。 - 前記X方向の繰り込み因子αX、Y方向の繰り込み因子αY、及びZ方向の繰り込み因子αZのうち、少なくとも2つが互いに異なる請求項8または9に記載のシミュレーション方法。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のシミュレーション方法を、コンピュータで実行するためのプログラム。
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