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专访普林斯顿大学教授:这项革命性的分子动力学方法是怎样诞生的?

知识分子  · 公众号  · 科学  · 2025-01-12 09:15

正文

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和我在做。因为大家认为这是不可能的,而我们证明了这是可行的。


不过,确实有很多人使用 DFT 计算出的力来优化原子结构。 DFT 在很多情况下已经足够好用了。我们来自凝聚态物理领域,从未考虑过小分子之类的东西,但 DFT 确实取得了重要的成功。 DFT 足够精确,因此通过 DFT 计算的力也足够准确,可以用于大量的计算。所以将电子和离子的运动方程结合起来的想法来自于分子动力学中人们发展的想法。


在那之前, Michele Parrinello 还开发了 Parrinello-Rahman 方法,这个方法是在 Anderson 的恒压方法之后推出的。而且大约在同一时期,也许是一年之后, Nosé 方法也出现了。 我们的想法与之类似——我们能够构建一个扩展的动力系统来完成这个任务。于是我们就有了 Car-Parrinello 方法。


但在那之前,有人尝试在分子动力学的每一步都进行完全收敛的 DFT 计算吗?


Roberto Car: 没有,因为那太昂贵了。这是一个重要的点。通过这个方法,我们发现了在一个虚拟的经典系统中的绝热性,之后人们改进了在每一步进行完全收敛的 DFT 计算的方法。


但以当时能用的技术来看,进行完全收敛的 DFT 计算会比我们当时的方法慢至少两个数量级。而且那时还没有结合动力学的想法,在电子波函数的处理中,你不只是做一次性最小化计算。你还要考虑从上一步得到的信息。因此,这也是这个技术中的一个新思想。所以,进行完全收敛的计算是完全不切实际的,也行不通。


当时你们是如何写代码的?那时的计算机和现代的计算机有很大的不同吗?


Roberto Car: 是的。在写第一篇论文的时候,我们在Trieste (笔者注:意大利东北部港口城市,通常译作“的里雅斯特”) 。我们使用的是Trieste的本地计算机,它并不是超级计算机。但我们依然能够对简化系统进行计算。之后,我们在位于Yorktown Heights的IBM沃森研究中心度过了一段时间,在那里我们可以使用IBM的计算机。它比Trieste的计算机要好一些。 也行不通。


Yorktown Heights 在美国吗?


Roberto Car: 是的,它在纽约州。当时凝聚态物理学界有两个最大的研究中心。第一个是贝尔实验室,它是最重要的。第二重要的是位于Yorktown Heights的IBM沃森研究中心。Yorktown Heights在纽约州,离纽约不远。距离和我们这里 (笔者注:普林斯顿大学) 到纽约的距离差不多。


那时你是和Michele Parrinello一起去那个中心的吗?


Roberto Car: 是的,我们1984年的夏天一起在那里 ,使用了 IBM 的计算机。 IBM 的计算机确实比我们在 Trieste 的要好,但也不是特别快。事实上,在我们做完那些工作的一年后, Cray 超级计算机问世了。它的速度非常快,在之后的工作中我们也使用了 Cray 超级计算机。


你是怎么认识Michele Parrinello的?为什么选择和他一起合作?


Roberto Car: 哦,这个故事其实我已经和人讲过很多次啦。大概从1980年,甚至可能是1979年我就认识了Michele。因为我在1980年代初左右在瑞士的EPFL (笔者注:EPFL指洛桑联邦理工学院The École Polytechnique Fédérale de Lausanne,是瑞士乃至欧洲顶尖大学之一) 做了几年的博士后。在那段时间,我的导师是Baldereschi (笔者注:Alfonso Baldereschi,1946.09.24~2024.04.22,意大利物理学家) ,他是EPFL的教授。Baldereschi也是意大利人,我们和意大利的学术圈有联系。所以我在夏天经常去Trieste,因为那里总是有会议和学术活动。 ‍‍


我在Tries te ICTP 度过了一段时间,而 Michele 也在那里。我们见过面,讨论过很多次,但当时还没有关于 Car-Parrinello 分子动力学 的想法。


在瑞士的那一年结束后,我去了IBM Yorktown Heights,在那里待了两年。那里有一些人开发了电子结构计算的代码,所以我学到了更高级的电子结构计算技术。


同时,Michele也在美国学术休假,他去了芝加哥的阿贡国家实验室。Michele通过与芝加哥的人合作,尤其是与分子动力学的创始人Aneesur Rahman (笔者注:Aneesur Rahman,1927.08.24~1987.06.06,印度裔美国物理学家。他于1964年在Physical Review杂志上发表了论文Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon,由此创立了分子动力学) 合作,学会了分子动力学。而我则在Yorktown Heights与Pantelides、Williams、Janak (笔者注:分别指Sokrates T. Pantelides、A. R. Williams和James F. Janak) 以及其他一些开发过DFT程序的人一起工作。尤其要说的是,在那段时间里,我还开发了代码用格林函数方法研究材料中的缺陷。


在Yorktown Heights 的时间结束后,我成为了Trieste凝聚态理论小组的负责人。那时SISSA刚刚起步,情况比较复杂。Trieste有ICTP,即International Centre for Theoretical Physics,国际理论物理中心。当时Trieste大学的理论物理系也设在ICTP。大学位于城里的另一个地方,但理论物理学家都在ICTP。

而本地的一个非常重要的人提出了成立SISSA的想法,SISSA是意大利语“Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati”的缩写,意思是“国际高等研究学院”,作为研究生院。SISSA有凝聚态物理理论 (只有理论) 、基本粒子和场论、数学,以及理论天体物理学。而凝聚态物理小组的负责人是Tosatti (笔者注: Erio Tosatti ,生于 1943 年,意大利物理学家) ,他召集了一些人组建这个小组。其中一个被Tosatti召集来的人就是 Michele 。由于我结束了在IBM的工作,Tosatti也向我发出了去的里雅斯特的邀请,我接受了。我去了的里雅斯特。我已经认识了Tosatti和 Michele 以及那里的所有人,因为我前一年在那里度过了一段时间。


然而,在1984年,当我在 Trieste 时,Car-Parrinello的想法诞生了。我们开始着手这项工作。






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