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2021 Fiscal Year Annual Research Report

ニューラルネットワークを利用した高速な第一原理分子動力学法の生命起源研究への適用

Research Project

Project/Area Number 19K14676
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

島村 孝平  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 助教 (60772647)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords機械学習原子間ポテンシャル / 人工ニューラルネットワーク / 分子動力学法 / 第一原理分子動力学法 / 生命の起源
Outline of Annual Research Achievements

これまでの2年間で、熱水噴出孔環境のような温度勾配等が存在する強い非平衡下にある系においても精度良く分子動力学(MD)計算が行えることを目的に、人工ニューラルネットワークに基づく原子間ポテンシャル(ANN力場)に対して、構築時の問題点の洗い出し、及び解決法を模索してきた。最終年度は、培った解決策を用いてANN力場による非平衡過程に対するMD計算を試みた。さらなる改善を要するものの、従来には無い視点からの力場の問題点の発見に結び付いた。それは原子エネルギーに潜む任意性に起因するもので、データ駆動的アプローチにより解決しうる知見を得た。一方で、これらの各種手法は極端な非平衡性を持たない系、あるいは平衡系に対するMD計算に対して大変うまく機能し、様々な成果を挙げた。まず、我々のANN力場訓練コードは、第一原理計算の「ポテンシャルエネルギー」だけでなく、その微分量である「原子に働く力」と「圧力」も訓練できるように拡張された。これらはMD計算に必須の物理量であり、高精度の達成のために重要であった。力が加わったことで教師データ数が膨大になる問題が生じたものの、現実的な時間で訓練が行えるように設計した。さらに、訓練したANN力場をそのまま同じCPU計算機上でMD計算に移行できるように実装を工夫し、系の大規模化や長時間MD計算を容易にした。自由エネルギー、誘電率、比熱、熱伝導度、構造因子等の様々かつ重要な物理量の計算に役立った。また、励起状態下の非断熱第一原理計算データを訓練したANN力場を構築し、大規模なMD計算を行うことも達成した。加えて、圧力も訓練したANN力場が固液相転移を記述するために必要であることも明らかにし、興味深いことに圧力の訓練は熱伝導度を精度良く求めるために必要であった。訓練の実用上重要である、コスト関数の係数調整による原子間ポテンシャルの精度向上法についても報告した。

  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (2 results)

  • [Int'l Joint Research] 南カリフォルニア大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      南カリフォルニア大学
  • [Journal Article] Exploring far-from-equilibrium ultrafast polarization control in ferroelectric oxides with excited-state neural network quantum molecular dynamics2022

    • Author(s)
      Linker Thomas、Nomura Ken-ichi、Aditya Anikeya、Fukushima Shogo、Kalia Rajiv K.、Krishnamoorthy Aravind、Nakano Aiichiro、Rajak Pankaj、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eabk2625

    • DOI

      10.1126/sciadv.abk2625

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Importance of Adjusting Coefficients in Cost Function for Construction of High-Accuracy Machine-Learning Interatomic Potential2022

    • Author(s)
      Irie Ayu、Shimamura Kohei、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 045002~045002

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.045002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermal conductivity calculation based on Green-Kubo formula using ANN potential for β-Ag2Se2022

    • Author(s)
      Takeshita Yusuke、Shimamura Kohei、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of Physics and Chemistry of Solids

      Volume: 163 Pages: 110580~110580

    • DOI

      10.1016/j.jpcs.2022.110580

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reproduction of Melting and Crystallization of Sodium by Machine-Learning Interatomic Potential Based on Artificial Neural Networks2021

    • Author(s)
      Irie Ayu、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimamura Kohei、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 90 Pages: 094603~094603

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.094603

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neural Network Quantum Molecular Dynamics, Intermediate Range Order in GeSe2, and Neutron Scattering Experiments2021

    • Author(s)
      Rajak Pankaj、Baradwaj Nitish、Nomura Ken-ichi、Krishnamoorthy Aravind、Rino Jose P.、Shimamura Kohei、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Pages: 6020~6028

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c01272

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Estimating thermal conductivity of α-Ag2Se using ANN potential with Chebyshev descriptor2021

    • Author(s)
      Shimamura Kohei、Takeshita Yusuke、Fukushima Shogo、Koura Akihide、Shimojo Fuyuki
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 778 Pages: 138748~138748

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.138748

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dielectric Constant of Liquid Water Determined with Neural Network Quantum Molecular Dynamics2021

    • Author(s)
      Krishnamoorthy Aravind、Nomura Ken-ichi、Baradwaj Nitish、Shimamura Kohei、Rajak Pankaj、Mishra Ankit、Fukushima Shogo、Shimojo Fuyuki、Kalia Rajiv、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 126 Pages: 216403~216403

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.126.216403

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 熱伝導度計算に有効な人工ニューラルネットワークに基づく 原子間ポテンシャル構築方法の検討IV2022

    • Author(s)
      島村孝平, 竹下雄輔, 福島省吾, 高良明英, 下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会(2022年)
  • [Presentation] 熱伝導度計算に有効な人工ニューラルネットワークに基づく 原子間ポテンシャル構築方法の検討III2021

    • Author(s)
      島村孝平, 竹下雄輔, 福島省吾, 高良明英, 下條冬樹
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会

URL: 

Published: 2022-12-28  

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