Excited-State Wave Functions and Energies Predicted by Machine Learning Based on Graph Neural Networks

计算机科学 激发态 图形 人工神经网络 波函数 人工智能 机器学习 理论计算机科学 物理 原子物理学
作者
Xiang‐Yang Liu,Dongyi Xiao,Wei‐Hai Fang,Ganglong Cui
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:21 (18): 9009-9022 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.5c00886
摘要

Accurate and efficient simulation of photoinduced dynamics in materials remains a significant challenge due to the computational cost of excited-state electronic structure calculations and the necessity to account for excitonic effects. In this work, we present a machine learning (ML)-accelerated approach to nonadiabatic molecular dynamics simulations that incorporates excitonic effects by predicting excited-state wave functions via configuration interaction coefficients and excitation energies using a graph neural network (GNN) architecture. The GNN model leverages molecular orbital information from ground-state calculations to construct input graphs, enabling efficient and accurate prediction of relevant excited-state wave functions and energies required for ab initio-based fewest-switches surface hopping simulations. Benchmarking on a zinc phthalocyanine-fullerene (ZnPc-C 6 0 ) donor–acceptor system reveals that these ML-predicted properties agree closely with those obtained from linear-response time-dependent density functional theory calculations while boosting the computational efficiency significantly. The ML-accelerated simulations reproduce excited-state dynamics with high fidelity, demonstrating the methodological capability to study complex photodynamical processes in large systems. This work provides a general and scalable framework for efficient excited-state dynamics simulations in materials where excitonic effects play a vital role.
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