X-Git-Url: https://hackdaworld.org/gitweb/?p=lectures%2Flatex.git;a=blobdiff_plain;f=posic%2Ftalks%2Fmd_simulation_von_silizium.tex;h=d2b37f44ad97b8480b48213bdf5e00f67367fe00;hp=484abdca048ee14ab107357e694571b72f54028f;hb=d8ba9d1112e8f769a1c0043262e1239d0ee8a984;hpb=41269c36d070f48c4a2631c3ba3ca0e7e062e364 diff --git a/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex b/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex index 484abdc..d2b37f4 100644 --- a/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex +++ b/posic/talks/md_simulation_von_silizium.tex @@ -128,4 +128,243 @@ MD: Ergodenhypothese: Gleichheit der zwei Mittelwerte \end{slide} +\begin{slide} +{\large\bf + Prinzip der MD-Simulation +} +\begin{itemize} + \item System von $N$ Teilchen (Molek"ulen) + \item zeitliche Entwicklung von Orten und Geschwindigkeiten + $\{{\bf q}_i,{\bf p}_i\}$ + \item System Hamilton-Funktion $\mathcal{H}({\bf q},{\bf p})$ + \item Hamilton'sche Bewegungsgleichungen:\\ + \[ + \dot{p}_i = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_i}, + \qquad + \dot{q}_i = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_i} + \]\\ + Propagationsvorschrift im $6N$-dimensionalen Phasenraum +\end{itemize} +$\Rightarrow$ mikroskopische Beschreibung des Systems\\ +$\Rightarrow$ observable Gr"o"sen durch zeitlichen Mittelwert\\ +\begin{picture}(350,10) +\end{picture} +{\large\bf + Notwendige Bestandteile der MD-Simulation +} +\begin{itemize} + \item Methode zum Intgrieren der Bewegungsgleichungen (Integrator) + \item Modell zur Wechselwirkung (analytische Potentialfunktion) + \item Zusatz zur \dq Kontrolle\dq{} des gew"unschten Ensembles +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Integration der Bewegungsgleichungen +} +\begin{itemize} + \item Keine analytische L"osung f"ur $N>3$ $\Rightarrow$ numerische Integration + \item $3N$ DGLs zweiter Ordnung {\color{blue}oder} $6N$ DGLs erster Ordnung\\ + \[ + m_i \ddot{{\bf r}}_i = {\bf f}_i \qquad + \textrm{{\color{blue}oder}} \qquad + m_i \dot{{\bf r}}_i = {\bf p}_i, \quad \dot{{\bf p}}_i = {\bf f}_i + \] + \begin{center} + (${\bf f}_i = - \nabla_{{\bf r}_i} \mathcal{V}$, kartesische Koordinaten) + \end{center} + \item Prinzip der Finite-Differenzen-Methode\\ + \[ + \Gamma(t) \rightarrow \Gamma(t+\delta t) + \] + \begin{center} + (mit Anfangsbedingungen ${\bf r}(0)$, ${\bf p}(0)$) + \end{center} + Beispiel Euler:\\ + ${\bf v}(t+\delta t) = {\bf v}(t) + \delta t {\bf a}(t)$\\ + ${\bf r}(t+\delta t) = {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t)$\\ +\end{itemize} +{\large\bf + Anforderungen an den Integrator +} +\begin{itemize} + \item fehlerfreie Reproduktion der \dq echten\dq{} Trajektorie + \item Erhaltung der Energie, Reversibel in der Zeit + \item schnell \& nur eine Kraftberechnug pro Zeitschritt $\delta t$ +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + {\em Predictor-Corrector} Algorithmus +} +\begin{itemize} + \item Vorhersage der Orte, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen etc ... + \begin{eqnarray} + {\bf r}^p(t + \delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) + + \frac{1}{6} \delta t^3 {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf v}^p(t + \delta t) &=& {\bf v}(t) + \delta t {\bf a}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf a}^p(t + \delta t) &=&{\bf a}(t) + \delta t {\bf b}(t) + \ldots + \nonumber \\ + {\bf b}^p(t + \delta t) &=&{\bf b}(t) + \ldots + \nonumber + \end{eqnarray} + \item Brechnung der tats"achlichen Kraft/Beschleunigung ${\bf a}^c$ + f"ur die vorhergesagten Orte ${\bf r}^p$ \\ + $\Rightarrow$ Korrekturfaktor: + $\Delta {\bf a}(t + \delta t) = + {\bf a}^c(t + \delta t) - {\bf a}^p(t + \delta t)$ + \item Korrektur: + \begin{eqnarray} + {\bf r}^c(t + \delta t) &=& {\bf r}^p(t + \delta t) + + c_0 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf v}^c(t + \delta t) &=& {\bf v}^p(t + \delta t) + + c_1 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf a}^c(t + \delta t) &=& {\bf a}^p(t + \delta t) + + c_2 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber \\ + {\bf b}^c(t + \delta t) &=& {\bf b}^p(t + \delta t) + + c_3 \Delta {\bf a}(t + \delta t) \nonumber + \end{eqnarray} + \item Optional: Iteration des Korrekturschrittes +\end{itemize} +{\scriptsize + C. W. Gear. + The numerical integration of ordinary differential equations of various orders. + (1966)\\ + C. W. Gear. + Numerical initial value problems in ordinary differential equations. + (1971) +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Velocity Verlet +}\\ +Aus formaler L"osung der Liouville-Gleichung f"ur Ensemble Zeitentwicklung: +\begin{eqnarray} + {\bf r}(t+\delta t) &=& {\bf r}(t) + \delta t {\bf v}(t) + + \frac{1}{2} \delta t^2 {\bf a}(t) \nonumber \\ + {\bf v}(t+\delta t) &=& {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t ( + {\bf a}(t) + {\bf a}(t+\delta t)) \nonumber +\end{eqnarray} +Alogrithmus: +\begin{itemize} + \item Berechnung der neuen Ortskoordinaten ${\bf r}(t+\delta t)$ + \item Erste Berechnung der Geschwindigkeiten + \[ + {\bf v}(t+\delta t/2) = {\bf v}(t) + \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t) + \] + \item Berechnung der Kr"afte f"ur die Orte ${\bf r}(t+\delta t)$ + $\Rightarrow {\bf a}(t+\delta t)$ + \item Update der Geschwindigkeiten + \[ + {\bf v}(t+\delta t) = {\bf v}(t+\delta t/2) + + \frac{1}{2} \delta t {\bf a}(t+\delta t) + \] +\end{itemize} +Eigenschaften: +\begin{itemize} + \item entspricht {\em GEAR-3} mit Ortskorrekturfaktor $c_0=0$ + \item einfach, schnell, wenig Speicheraufwand $(9N)$ + \item verh"altnism"a"sig pr"azise +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Modell zur Wechselwirkung - Das Potential +}\\ +Klassisches Potential: +\[ +{\mathcal V} = \sum_i {\mathcal V}_1({\bf r}_i) + + \sum_{i,j} {\mathcal V}_2({\bf r}_i,{\bf r}_j) + + \sum_{i,j,k} {\mathcal V}_3({\bf r}_i,{\bf r}_j,{\bf r}_k) + + \ldots +\] +\begin{itemize} + \item ${\mathcal V}_1$: Eink"orperpotential (Gravitation, elektrisches Feld) + \item ${\mathcal V}_2$: Paarpotential + (nur abh"angig vom Abstand ${\bf r}_{ij}$) + \item ${\mathcal V}_3$: Dreik"orperpotential +\end{itemize} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Wahl/Kontrolle des Ensembles +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + kanonisches Ensemble (NVT) +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + isothermales isobares Ensemble (NpT) +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Die Simulationszelle \& Randbedingungen +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Trick: Nachbarlisten \& Zell-Methode +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Thermodynamische Gr"o"sen +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + 3-K"orper Potentiale +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Brenner / Tersoff +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + EAM +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Albe Reparametrisierung +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Zusammenfassung +} +\end{slide} + +\begin{slide} +{\large\bf + Ausblick +} +\end{slide} + \end{document}