cp2kの使い方: メタダイナミクス

CP2Kによるメタダイナミクス

• メタダイナミクス(meta-dynamics)は、反応座標において人為的にエネルギーを加算することにより起こりにくい現象を起こりやすくする手法である
• これにより、化学結合の解離・生成などの起こりにくい反応を現実的な計算時間内に観測することができる
• meta-dynamicsでは、エネルギーを加算する座標(collective variable: CV)をまず定義し、そこにエネルギーをどの程度加えるかの条件を設定する
• 以下、cp2kによるmeta-dynamicsについて解説する

インプットファイル

&GLOBAL
  PROJECT metadyn_test
  RUN_TYPE MD
  PRINT_LEVEL LOW
&END GLOBAL

&FORCE_EVAL
  METHOD QS
  &DFT
    BASIS_SET_FILE_NAME BASIS_MOLOPT
    POTENTIAL_FILE_NAME GTH_POTENTIALS
    &MGRID
      CUTOFF 280
    &END MGRID
    &XC
      &XC_FUNCTIONAL PBE
      &END XC_FUNCTIONAL
    &END XC
  &END DFT

  &SUBSYS
    &CELL
      ABC 10.0 10.0 10.0
    &END CELL
    &COORD
      O   0.0  0.0  0.0
      H   0.0  0.0  1.0
      H   0.0  1.0  0.0
    &END COORD
    &KIND O
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-SR-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE
    &END KIND
    &KIND H
      BASIS_SET DZVP-MOLOPT-SR-GTH
      POTENTIAL GTH-PBE
    &END KIND
  &END SUBSYS
&END FORCE_EVAL

&MOTION
  &MD
    ENSEMBLE NVT
    STEPS 10000
    TIMESTEP 0.5
    TEMPERATURE 300
  &END MD

  &PRINT
    &TRAJECTORY
      FORMAT XYZ
    &END TRAJECTORY
  &END PRINT

  &FREE_ENERGY
    &COLVAR
      &DISTANCE
        ATOMS 1 2
      &END DISTANCE
    &END COLVAR
      
    &METADYN
      DO_HILLS TRUE
      NT_HILLS 100
      HILL_HEIGHT 1.2
      HILL_WIDTH 0.2
      BIASFACTOR 10
      TEMP 300
      USE_WELLTEMPERED TRUE

    &END METADYN
  &END FREE_ENERGY
&END MOTION

メタダイナミクスに関わるセクションの解説

&MOTION &MD

• ENSEMBLE: アンサンブル（ここではNVT）
• STEPS: MDのステップ数
• TIMESTEP: 時間ステップ（fs）
• TEMPERATURE: システムの温度（K）

&COLVAR

• メタダイナミクスで使用するCollective Variable（CV）を定義
• &DISTANCE: 原子1と2の距離をCVとして使用（他にもANGLE, TORSION, COORDINATION等が利用可能）

&MOTION &PRINT

• 原子のトラジェクトリー（TRAJECTORY）をXYZ形式で保存

&MOTION &FREE_ENERGY &METADYN

• DO_HILLS: hill(Gauss関数)を定期的に加える
• NT_HILLS: hillを加えるステップ間隔
• HILL_HEIGHT: hillの高さ（kcal/mol単位）
• HILL_WIDTH: hillの幅（CV空間での幅）