Optimization-based Shrinking Dimer Method for Finding Transition States

数学 二聚体 鞍点 相变 趋同(经济学) 翻译(生物学) 算法 量子力学 物理 几何学 化学 核磁共振 经济增长 生物化学 基因 信使核糖核酸 经济
作者
Lei Zhang,Qiang Du,Zhenzhen Zheng
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:38 (1): A528-A544 被引量:46
标识
DOI:10.1137/140972676
摘要

We present a new and efficient optimization-based shrinking dimer (OSD) algorithm for finding transition states associated with a given energy landscape. The transition states are given by index-one saddle points of the energy surface. By constructing the rotation and translation steps in the classical dimer method under an optimization framework, we are able to take advantage of more powerful optimization methods to substantially speed up the computation of transition states. Specifically, the Barzilai--Borwein gradient method is proposed as an effective implementation of OSD. We show that the OSD method is the generalized formulation of the original shrinking dimer dynamics (SDD) and enjoys superlinear convergence. We test various numerical examples, including some standard lower dimensional test examples, a cluster of seven particles, seven-atom island on the (111) surface of an FCC crystal, and nucleation in phase transformations. The results demonstrate that the OSD method with the proposed Barzilai--Borwein stepsize is very effective and provides a more efficient implementation than the SDD algorithm and some other dimer-type methods. Our new algorithms offer potential to significantly advance the state-of-the-art in dimer-type methods for transition state search.
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