Kinetic energy densities based on the fourth order gradient expansion: performance in different classes of materials and improvement via machine learning

文献情報

出版日 2018-11-29
DOI 10.1039/C8CP06433D
インパクトファクター 3.676
著者

Pavlo Golub, Sergei Manzhos


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要旨

We study the performance of fourth-order gradient expansions of the kinetic energy density (KED) in semi-local kinetic energy functionals depending on the density-dependent variables. The formal fourth-order expansion is convergent for periodic systems and small molecules but does not improve over the second-order expansion (the Thomas–Fermi term plus one-ninth of the von Weizsäcker term). Linear fitting of the expansion coefficients somewhat improves on the formal expansion. The tuning of the fourth order expansion coefficients allows for better reproducibility of the Kohn–Sham kinetic energy density than the tuning of the second-order expansion coefficients alone. The possibility of a much more accurate match with the Kohn–Sham kinetic energy density by using neural networks (NN) trained using the terms of the 4th order expansion as density-dependent variables is demonstrated. We obtain ultra-low fitting errors without overfitting of NN parameters. Small single hidden layer neural networks can provide good accuracy in separate KED fits of each compound, while for joint fitting of KEDs of multiple compounds multiple hidden layers were required to achieve good fit quality. The critical issue of data distribution is highlighted. We also show the critical role of pseudopotentials in the performance of the expansion, where in the case of a too rapid decay of the valence density at the nucleus with some pseudopotentials, numeric instabilities can arise.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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