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使用Metadynamics动力学方法研究 Cu(111) 中 Cu 空位的扩散（PLUMED）
版本：P-219.03
在本教程中，您将学习如何使用 PlumedMetadynamics 类和 PLUMED 插件在 QuantumATK 中设置和运行 Metadynamics 模拟。它将涵盖设置探索与 Cu(111) 面上 Cu 空位扩散相关的自由能分布，如何设置 Metadynamics 计算以及如何分析结果。
介绍
Metadynamics [LP02] 是一种基于分子动力学的强大方法，可以研究多维自由能表面（FESs）。它允许人们通过基于系统微观坐标的多个变量集（CV）的函数重构系统的 FES。
在 Metadynamics 中，附加的偏势能会在模拟期间定期添加到系统中。这就使系统能够避免较深的自由能最小值并克服高能量位垒，从而有效地探索整个自由能表面。在材料科学领域，该方法已用于研究晶体多态性、固液界面以及固体和表面的化学反应。在这里，您将应用它研究 Cu(111) 面上 Cu 空位的扩散。
QuantumATK 通过 PLUMED 插件实现 Metadynamics。在本教程中，我们将会简要地介绍该方法，解释怎样为 Cu(111) 上的空位扩散设置 Metadynamics 脚本，以及如何分析生成的自由能表面。
关于 Metadynamics 方法的更多信息，可参见参考文献 [BBP11] 和 [BN15]。
理论背景
在 Metadynamics 中，在几个选定的自由度相空间中构造了外部偏势能，$S$，通常称为变量集（CVs）[LP02]。$S$ 是一系列 d 个关于系统微观坐标 $R$ 的函数。
$$S(R) = (S_1 (R), ..., S_d (R)).$$
势能是在时间 t 内，高斯函数沿 CV 空间中轨迹的积分。在文献 [BBP11] 中，势能公式的简化版本为：
$$V(S,t) = \int_{0}^{t} dt^{'} \frac{W}{\tau} \exp\left( -\sum_{i=1}^{d} \frac{(S_i (R)-S_i({R}(t^{'} )))^2}{2\sigma_i^2} \right),$$
这里，$\tau$ 是高斯函数积分的步幅，$\sigma_i$ 是在第 $i$ 个 CV中高斯函数的宽度，$W$ 是高斯函数的高度。偏势能的作用是使系统远离局部最小值，并使其能够访问相空间的新区域。