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Thermostatting in ring polymer molecular dynamics simulations

Gerhard Tulzer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Martin Neumann

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DOI

10.25365/thesis.43093

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-24873.40282.970363-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In dieser Arbeit befassen wir uns mit der Implementierung von zwei Typen von Thermostaten in Ring-Polymer-Molekulardynamik-Simulationen. Molekulardynamik-Simulationen sind bekanntermaßen ein wertvolles Hilfsmittel bei der Untersuchung von sowohl klassischen als auch quantenmechanischen molekularen Systemen. Bei letzteren ermöglicht die Verwendung des Pfadintegral-Formalismus die Auffassung von quantenmechanischen Teilchen als ``beinahe-klassische'' Ring-Polymere mit einem abgeänderten intermolekularen Potential. Um ein thermisches Gleichgewicht herzustellen, also ein kanonisches Ensemble zu simulieren, werden Thermostate benötigt, welche die Interaktion des Systems mit einem Wärmebad imitieren. Natürlich gibt es hierfür viele verschiedene Typen, welche auf unterschiedlichen Ansätzen beruhen. Es stellt sich heraus, dass die Verwendung eines Gauß'schen Thermostats Resonanzen im Spektrum der Geschwindigkeits-Autokorrelationsfunktion hervorruft, was ein unerwünschter Effekt ist. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf den Ursprung der erwähnten Resonanzen sowie auf die Implementierung eines Langevin-Thermostats. Was ersteres Ziel betrifft, werden wir entdecken, dass die Resonanzfrequenzen den Eigenfrequenzen des Federsystems zwischen den einzelnen Monomeren entsprechen, auch wenn diese durch das intermolekulare Potential leicht verschoben sind. Zweitens diskutieren wir die Implementierung eines Langevin-Thermostats, um die erwähnten Resonanzen zu beseitigen. Wir zeigen, dass das Spektrum in diesem Fall keine Resonanzen aufweist und untersuchen den Effekt der Kopplungsstärke zwischen System und Wärmebad. Außerdem vergleichen wir die Ergebnisse mit Daten einer centroid molecular dynamics Simulation.

Abstract

(Englisch)

This work deals with the implementation of two types of thermostats in ring polymer molecular dynamics (RPMD) simulations. Molecular dynamics simulations have been proven to be a powerful tool in the investigation of molecular systems in the classical as well as in the quantum mechanical case. In the latter, the use of the celebrated path integral formalism allows to treat quantum mechanical particles as classical-like ring polymers with an alternative intermolecular potential. In order to impose a thermal equilibrium condition, i.e. to simulate a canonical ensemble, a thermostat is needed, which mimics the interaction of a system with a heat bath. Of course, there exist many different types of thermostats with different approaches. It turns out that the use of a Gaussian thermostat leads to resonances in the velocity auto-correlation spectrum, which is an unwanted effect. In this thesis, we focus on the investigation of the origin of the mentioned resonances and on the implementation of a Langevin thermostat. Regarding the first aim, it turns out that they correspond to the eigenfrequencies associated to the spring system of the ring monomers, although the intermolecular potential yields a slight shift of those frequencies. Secondly, the implementation of a Langevin thermostat to overcome the mentioned issues is discussed in detail. We show that the spectrum is free of the resonances in this case and show the effect of the coupling strength to the heat bath. Additionally, we compare the results to data from simulations using the centroid molecular dynamics method.

Autor*innen

Gerhard Tulzer

Haupttitel (Englisch)

Thermostatting in ring polymer molecular dynamics simulations

Paralleltitel (Deutsch)

Thermostate in Ring-Polymer Molekulardynamik-Simulationen

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

ix, 79 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Martin Neumann

Klassifikation

33 Physik > 33.25 Thermodynamik, statistische Physik

AC Nummer

AC13452439

Utheses ID

38135

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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