Flygande isbit

I simuleringar av molekylär dynamik (MD) är den flygande iskubeffekten en artefakt där energin från högfrekventa fundamentala lägen dräneras till lågfrekventa lägen, särskilt till nollfrekventa rörelser såsom total translation och rotation av systemet. Artefakten har fått sitt namn från en särskilt märkbar manifestation som uppstår i simuleringar av partiklar i vakuum , där systemet som simuleras får hög linjär fart och upplever extremt dämpade inre rörelser, vilket fryser systemet till en enda konformation som påminner om en isbit eller annan stel . kropp som flyger genom rymden. Artefakten är helt och hållet en konsekvens av algoritmer för molekylär dynamik och är helt opysisk, eftersom den bryter mot principen om likfördelning av energi .

Ursprung och undvikande

Den flygande iskubsartefakten uppstår från upprepade omskalningar av partiklarnas hastigheter i simuleringssystemet. Hastighetsomskalning är ett sätt att pålägga systemet en termostat genom att multiplicera hastigheterna för ett systems partiklar med en faktor efter att ett tidssteg för integrationen har slutförts, vilket görs av Berendsen-termostaten och Bussi-Donadio-Parrinello-termostaten. Dessa scheman misslyckas när omskalningen görs till en kinetisk energifördelning av en ensemble som inte är invariant under mikrokanonisk molekylär dynamik ; sålunda Berendsen-termostaten (som omskalas till den isokinetiska ensemblen) artefakten, medan Bussi-Donadio-Parrinello-termostaten (som skalar om till den kanoniska ensemblen) inte uppvisar artefakten. Omskalning till en ensemble som inte är invariant under mikrokanonisk molekylär dynamik resulterar i ett brott mot balansvillkoret som är ett krav för Monte Carlo-simuleringar (molekylära dynamiksimuleringar med hastighetsomvandlingstermostater kan ses som Monte Carlo-simuleringar med molekyldynamikrörelser och hastighet omskalningsrörelser), vilket är artefaktens underliggande orsak.

När problemet med flygande isbitar först upptäcktes hade Bussi–Donadio–Parrinello-termostaten ännu inte utvecklats, och det var önskvärt att fortsätta använda Berendsen-termostaten på grund av effektiviteten med vilken hastighetsomvandlingstermostater kopplar av systemen till önskade temperaturer. Således gavs förslag för att undvika den flygande isbitseffekten under Berendsen-termostaten, som att periodiskt ta bort rörelserna i masscentrum och använda en längre temperaturkopplingstid. På senare tid har det dock rekommenderats att det är bättre att sluta använda Berendsen-termostaten helt till förmån för Bussi-Donadio-Parrinello-termostaten, eftersom det har visat sig att den senare termostaten inte uppvisar den flygande iskubeffekten.