Pushing the frontiers of density functionals by solving the fractional electron problem

密度泛函理论 直接的 电荷(物理) 离域电子 自旋(空气动力学) 功能理论 领域(数学) 物理 电子 统计物理学 计算机科学 量子力学 理论物理学 数学 热力学 激发态 单重态 纯数学
作者
James Kirkpatrick,Brendan McMorrow,David H. P. Turban,Alexander L. Gaunt,James Spencer,Alexander Matthews,Annette Obika,Louis Thiry,Meire Fortunato,David Pfau,Lara Román Castellanos,Stig Petersen,Alexander Nelson,Pushmeet Kohli,Paula Mori‐Sánchez,Demis Hassabis,Aron J. Cohen
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:374 (6573): 1385-1389 被引量:152
标识
DOI:10.1126/science.abj6511
摘要

Density functional theory describes matter at the quantum level, but all popular approximations suffer from systematic errors that arise from the violation of mathematical properties of the exact functional. We overcame this fundamental limitation by training a neural network on molecular data and on fictitious systems with fractional charge and spin. The resulting functional, DM21 (DeepMind 21), correctly describes typical examples of artificial charge delocalization and strong correlation and performs better than traditional functionals on thorough benchmarks for main-group atoms and molecules. DM21 accurately models complex systems such as hydrogen chains, charged DNA base pairs, and diradical transition states. More crucially for the field, because our methodology relies on data and constraints, which are continually improving, it represents a viable pathway toward the exact universal functional.
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