Performance and Cost Assessment of Machine Learning Interatomic Potentials

密度泛函理论 声子 背景(考古学) 基准集 Atom(片上系统) 统计物理学 计算机科学 人工智能 机器学习 材料科学 物理 原子物理学 化学 计算化学 凝聚态物理 古生物学 生物 嵌入式系统
作者
Yunxing Zuo,Chi Chen,Xiangguo Li,Zhi Deng,Yiming Chen,Jörg Behler,Gábor Cśanyi,Alexander V. Shapeev,Aidan P. Thompson,Mitchell Wood,Shyue Ping Ong
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:124 (4): 731-745 被引量:714
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.9b08723
摘要

Machine learning of the quantitative relationship between local environment descriptors and the potential energy surface of a system of atoms has emerged as a new frontier in the development of interatomic potentials (IAPs). Here, we present a comprehensive evaluation of machine learning IAPs (ML-IAPs) based on four local environment descriptors—atom-centered symmetry functions (ACSF), smooth overlap of atomic positions (SOAP), the spectral neighbor analysis potential (SNAP) bispectrum components, and moment tensors—using a diverse data set generated using high-throughput density functional theory (DFT) calculations. The data set comprising bcc (Li, Mo) and fcc (Cu, Ni) metals and diamond group IV semiconductors (Si, Ge) is chosen to span a range of crystal structures and bonding. All descriptors studied show excellent performance in predicting energies and forces far surpassing that of classical IAPs, as well as predicting properties such as elastic constants and phonon dispersion curves. We observe a general trade-off between accuracy and the degrees of freedom of each model and, consequently, computational cost. We will discuss these trade-offs in the context of model selection for molecular dynamics and other applications.
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