doc/src/fix_qeq.txt

   1 "LAMMPS WWW Site"_lws - "LAMMPS Documentation"_ld - "LAMMPS Commands"_lc :c
   2
   3 :link(lws,http://lammps.sandia.gov)
   4 :link(ld,Manual.html)
   5 :link(lc,Section_commands.html#comm)
   6
   7 :line
   8
   9 fix qeq/point command :h3
  10 fix qeq/shielded command :h3
  11 fix qeq/slater command :h3
  12 fix qeq/dynamic command :h3
  13 fix qeq/fire command :h3
  14
  15 [Syntax:]
  16
  17 fix ID group-ID style Nevery cutoff tolerance maxiter qfile keyword ... :pre
  18
  19 ID, group-ID are documented in "fix"_fix.html command :ulb,l
  20 style = {qeq/point} or {qeq/shielded} or {qeq/slater} or {qeq/dynamic} or {qeq/fire} :l
  21 Nevery = perform charge equilibration every this many steps :l
  22 cutoff = global cutoff for charge-charge interactions (distance unit) :l
  23 tolerance = precision to which charges will be equilibrated :l
  24 maxiter = maximum iterations to perform charge equilibration :l
  25 qfile = a filename with QEq parameters :l
  26
  27 zero or more keyword/value pairs may be appended :l
  28 keyword = {alpha} or {qdamp} or {qstep} :l
  29   {alpha} value = Slater type orbital exponent (qeq/slater only)
  30   {qdamp} value = damping factor for damped dynamics charge solver (qeq/dynamic and qeq/fire only)
  31   {qstep} value = time step size for damped dynamics charge solver (qeq/dynamic and qeq/fire only) :pre
  32
  33 :ule
  34
  35 [Examples:]
  36
  37 fix 1 all qeq/point 1 10 1.0e-6 200 param.qeq1
  38 fix 1 qeq qeq/shielded 1 8 1.0e-6 100 param.qeq2
  39 fix 1 all qeq/slater 5 10 1.0e-6 100 params alpha 0.2
  40 fix 1 qeq qeq/dynamic 1 12 1.0e-3 100 my_qeq
  41 fix 1 all qeq/fire 1 10 1.0e-3 100 my_qeq qdamp 0.2 qstep 0.1 :pre
  42
  43 [Description:]
  44
  45 Perform the charge equilibration (QEq) method as described in "(Rappe
  46 and Goddard)"_#Rappe and formulated in "(Nakano)"_#Nakano (also known
  47 as the matrix inversion method) and in "(Rick and Stuart)"_#Rick (also
  48 known as the extended Lagrangian method) based on the
  49 electronegativity equilization principle.
  50
  51 These fixes can be used with any "pair style"_pair_style.html in
  52 LAMMPS, so long as per-atom charges are defined.  The most typical
  53 use-case is in conjunction with a "pair style"_pair_style.html that
  54 performs charge equilibration periodically (e.g. every timestep), such
  55 as the ReaxFF or Streitz-Mintmire potential.
  56 But these fixes can also be used with
  57 potentials that normally assume per-atom charges are fixed, e.g. a
  58 "Buckingham"_pair_buck.html or "LJ/Coulombic"_pair_lj.html potential.
  59
  60 Because the charge equilibration calculation is effectively
  61 independent of the pair style, these fixes can also be used to perform
  62 a one-time assignment of charges to atoms.  For example, you could
  63 define the QEq fix, perform a zero-timestep run via the "run"_run.html
  64 command without any pair style defined which would set per-atom
  65 charges (based on the current atom configuration), then remove the fix
  66 via the "unfix"_unfix.html command before performing further dynamics.
  67
  68 NOTE: Computing and using charge values different from published
  69 values defined for a fixed-charge potential like Buckingham or CHARMM
  70 or AMBER, can have a strong effect on energies and forces, and
  71 produces a different model than the published versions.
  72
  73 NOTE: The "fix qeq/comb"_fix_qeq_comb.html command must still be used
  74 to perform charge equliibration with the "COMB
  75 potential"_pair_comb.html.  The "fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html
  76 command can be used to perform charge equilibration with the "ReaxFF
  77 force field"_pair_reax_c.html, although fix qeq/shielded yields the
  78 same results as fix qeq/reax if {Nevery}, {cutoff}, and {tolerance}
  79 are the same.  Eventually the fix qeq/reax command will be deprecated.
  80
  81 The QEq method minimizes the electrostatic energy of the system (or
  82 equalizes the derivative of energy with respect to charge of all the
  83 atoms) by adjusting the partial charge on individual atoms based on
  84 interactions with their neighbors within {cutoff}.  It reqires a few
  85 parameters, in {metal} units, for each atom type which provided in a
  86 file specified by {qfile}.  The file has the following format
  87
  88 1 chi eta gamma zeta qcore
  89 2 chi eta gamma zeta qcore
  90 ...
  91 Ntype chi eta gamma zeta qcore :pre
  92
  93 There is one line per atom type with the following parameters.
  94 Only a subset of the parameters is used by each QEq style as descibed
  95 below, thus the others can be set to 0.0 if desired.
  96
  97 {chi} = electronegativity in energy units
  98 {eta} = self-Coulomb potential in energy units
  99 {gamma} = shielded Coulomb constant defined by "ReaxFF force field"_#vanDuin in distance units
 100 {zeta} = Slater type orbital exponent defined by the "Streitz-Mintmire"_#Streitz potential in reverse distance units
 101 {qcore} = charge of the nucleus defined by the "Streitz-Mintmire potential"_#Streitz potential in charge units :ul
 102
 103 The {qeq/point} style describes partial charges on atoms as point
 104 charges.  Interaction between a pair of charged particles is 1/r,
 105 which is the simplest description of the interaction between charges.
 106 Only the {chi} and {eta} parameters from the {qfile} file are used.
 107 Note that Coulomb catastrophe can occur if repulsion between the pair
 108 of charged particles is too weak.  This style solves partial charges
 109 on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance of 1.0e-6 is
 110 usually a good number.
 111
 112 The {qeq/shielded} style describes partial charges on atoms also as
 113 point charges, but uses a shielded Coulomb potential to describe the
 114 interaction between a pair of charged particles.  Interaction through
 115 the shielded Coulomb is given by equation (13) of the "ReaxFF force
 116 field"_#vanDuin paper.  The shielding accounts for charge overlap
 117 between charged particles at small separation.  This style is the same
 118 as "fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html, and can be used with "pair_style
 119 reax/c"_pair_reax_c.html.  Only the {chi}, {eta}, and {gamma}
 120 parameters from the {qfile} file are used.  This style solves partial
 121 charges on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance of
 122 1.0e-6 is usually a good number.
 123
 124 The {qeq/slater} style describes partial charges on atoms as spherical
 125 charge densities centered around atoms via the Slater 1{s} orbital, so
 126 that the interaction between a pair of charged particles is the
 127 product of two Slater 1{s} orbitals.  The expression for the Slater
 128 1{s} orbital is given under equation (6) of the
 129 "Streitz-Mintmire"_#Streitz paper.  Only the {chi}, {eta}, {zeta}, and
 130 {qcore} parameters from the {qfile} file are used.  This style solves
 131 partial charges on atoms via the matrix inversion method.  A tolerance
 132 of 1.0e-6 is usually a good number.  Keyword {alpha} can be used to
 133 change the Slater type orbital exponent.
 134
 135 The {qeq/dynamic} style describes partial charges on atoms as point
 136 charges that interact through 1/r, but the extended Lagrangian method
 137 is used to solve partial charges on atoms.  Only the {chi} and {eta}
 138 parameters from the {qfile} file are used.  Note that Coulomb
 139 catastrophe can occur if repulsion between the pair of charged
 140 particles is too weak.  A tolerance of 1.0e-3 is usually a good
 141 number.  Keyword {qdamp} can be used to change the damping factor, while
 142 keyword {qstep} can be used to change the time step size.
 143
 144 The "{qeq/fire}"_#Shan style describes the same charge model and charge
 145 solver as the {qeq/dynamic} style, but employs a FIRE minimization
 146 algorithm to solve for equilibrium charges.
 147 Keyword {qdamp} can be used to change the damping factor, while
 148 keyword {qstep} can be used to change the time step size.
 149
 150 Note that {qeq/point}, {qeq/shielded}, and {qeq/slater} describe
 151 different charge models, whereas the matrix inversion method and the
 152 extended Lagrangian method ({qeq/dynamic} and {qeq/fire}) are
 153 different solvers.
 154
 155 Note that {qeq/point}, {qeq/dynamic} and {qeq/fire} styles all describe
 156 charges as point charges that interact through 1/r relationship, but
 157 solve partial charges on atoms using different solvers.  These three
 158 styles should yield comparable results if
 159 the QEq parameters and {Nevery}, {cutoff}, and {tolerance} are the
 160 same.  Style {qeq/point} is typically faster, {qeq/dynamic} scales
 161 better on larger sizes, and {qeq/fire} is faster than {qeq/dynamic}.
 162
 163 NOTE: To avoid the evaluation of the derivative of charge with respect
 164 to position, which is typically ill-defined, the system should have a
 165 zero net charge.
 166
 167 NOTE: Developing QEq parameters (chi, eta, gamma, zeta, and qcore) is
 168 non-trivial.  Charges on atoms are not guaranteed to equilibrate with
 169 arbitrary choices of these parameters.  We do not develop these QEq
 170 paramters.  See the examples/qeq directory for some examples.
 171
 172 [Restart, fix_modify, output, run start/stop, minimize info:]
 173
 174 No information about these fixes is written to "binary restart
 175 files"_restart.html.  No global scalar or vector or per-atom
 176 quantities are stored by these fixes for access by various "output
 177 commands"_Section_howto.html#howto_15.  No parameter of these fixes
 178 can be used with the {start/stop} keywords of the "run"_run.html
 179 command.
 180
 181 Thexe fixes are invoked during "energy minimization"_minimize.html.
 182
 183 [Restrictions:]
 184
 185 These fixes are part of the QEQ package.  They are only enabled if
 186 LAMMPS was built with that package.  See the "Making
 187 LAMMPS"_Section_start.html#start_3 section for more info.
 188
 189 [Related commands:]
 190
 191 "fix qeq/reax"_fix_qeq_reax.html, "fix qeq/comb"_fix_qeq_comb.html
 192
 193 [Default:] none
 194
 195 :line
 196
 197 :link(Rappe)
 198 [(Rappe and Goddard)] A. K. Rappe and W. A. Goddard III, J Physical
 199 Chemistry, 95, 3358-3363 (1991).
 200
 201 :link(Nakano)
 202 [(Nakano)] A. Nakano, Computer Physics Communications, 104, 59-69 (1997).
 203
 204 :link(Rick)
 205 [(Rick and Stuart)] S. W. Rick, S. J. Stuart, B. J. Berne, J Chemical Physics
 206 101, 16141 (1994).
 207
 208 :link(Streitz)
 209 [(Streitz-Mintmire)] F. H. Streitz, J. W. Mintmire, Physical Review B, 50,
 210 16, 11996 (1994)
 211
 212 :link(vanDuin)
 213 [(ReaxFF)] A. C. T. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, W. A. Goddard III, J
 214 Physical Chemistry, 105, 9396-9049 (2001)
 215
 216 :link(Shan)
 217 [(QEq/Fire)] T.-R. Shan, A. P. Thompson, S. J. Plimpton, in preparation