doc/src/fix_tfmc.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 tfmc command :h3
  10
  11 [Syntax:]
  12
  13 fix ID group-ID tfmc Delta Temp seed keyword value :pre
  14
  15 ID, group-ID are documented in "fix"_fix.html command :ulb,l
  16 tfmc = style name of this fix command :l
  17 Delta = maximal displacement length (distance units) :l
  18 Temp = imposed temperature of the system :l
  19 seed = random number seed (positive integer) :l
  20 zero or more keyword/arg pairs may be appended :l
  21 keyword = {com} or {rot} :l
  22   {com} args = xflag yflag zflag
  23     xflag,yflag,zflag = 0/1 to exclude/include each dimension
  24   {rot} args = none :pre
  25 :ule
  26
  27 [Examples:]
  28
  29 fix 1 all tfmc 0.1 1000.0 159345
  30 fix 1 all tfmc 0.05 600.0 658943 com 1 1 0
  31 fix 1 all tfmc 0.1 750.0 387068 com 1 1 1 rot :pre
  32
  33 [Description:]
  34
  35 Perform uniform-acceptance force-bias Monte Carlo (fbMC) simulations,
  36 using the time-stamped force-bias Monte Carlo (tfMC) algorithm
  37 described in "(Mees)"_#Mees and "(Bal)"_#Bal.
  38
  39 One successful use case of force-bias Monte Carlo methods is that they
  40 can be used to extend the time scale of atomistic simulations, in
  41 particular when long time scale relaxation effects must be considered;
  42 some interesting examples are given in the review by "(Neyts)"_#Neyts.
  43 An example of a typical use case would be the modelling of chemical
  44 vapour deposition (CVD) processes on a surface, in which impacts by
  45 gas-phase species can be performed using MD, but subsequent relaxation
  46 of the surface is too slow to be done using MD only. Using tfMC can
  47 allow for a much faster relaxation of the surface, so that higher
  48 fluxes can be used, effectively extending the time scale of the
  49 simulation. (Such an alternating simulation approach could be set up
  50 using a "loop"_jump.html.)
  51
  52 The initial version of tfMC algorithm in "(Mees)"_#Mees contained an
  53 estimation of the effective time scale of such a simulation, but it
  54 was later shown that the speed-up one can gain from a tfMC simulation
  55 is system- and process-dependent, ranging from none to several orders
  56 of magnitude. In general, solid-state processes such as
  57 (re)crystallisation or growth can be accelerated by up to two or three
  58 orders of magnitude, whereas diffusion in the liquid phase is not
  59 accelerated at all. The observed pseudodynamics when using the tfMC
  60 method is not the actual dynamics one would obtain using MD, but the
  61 relative importance of processes can match the actual relative
  62 dynamics of the system quite well, provided {Delta} is chosen with
  63 care. Thus, the system's equilibrium is reached faster than in MD,
  64 along a path that is generally roughly similar to a typical MD
  65 simulation (but not necessarily so). See "(Bal)"_#Bal for details.
  66
  67 Each step, all atoms in the selected group are displaced using the
  68 stochastic tfMC algorithm, which is designed to sample the canonical
  69 (NVT) ensemble at the temperature {Temp}. Although tfMC is a Monte
  70 Carlo algorithm and thus strictly speaking does not perform time
  71 integration, it is similar in the sense that it uses the forces on all
  72 atoms in order to update their positions. Therefore, it is implemented
  73 as a time integration fix, and no other fixes of this type (such as
  74 "fix nve"_fix_nve.html) should be used at the same time. Because
  75 velocities do not play a role in this kind of Monte Carlo simulations,
  76 instantaneous temperatures as calculated by "temperature
  77 computes"_compute_temp.html or "thermodynamic
  78 output"_thermo_style.html have no meaning: the only relevant
  79 temperature is the sampling temperature {Temp}.  Similarly, performing
  80 tfMC simulations does not require setting a "timestep"_timestep.html
  81 and the "simulated time"_thermo_style.html as calculated by LAMMPS is
  82 meaningless.
  83
  84 The critical parameter determining the success of a tfMC simulation is
  85 {Delta}, the maximal displacement length of the lightest element in
  86 the system: the larger it is, the longer the effective time scale of
  87 the simulation will be (there is an approximately quadratic
  88 dependence). However, {Delta} must also be chosen sufficiently small
  89 in order to comply with detailed balance; in general values between 5
  90 and 10 % of the nearest neighbor distance are found to be a good
  91 choice. For a more extensive discussion with specific examples, please
  92 refer to "(Bal)"_#Bal, which also describes how the code calculates
  93 element-specific maximal displacements from {Delta}, based on the
  94 fourth root of their mass.
  95
  96 Because of the uncorrelated movements of the atoms, the center-of-mass
  97 of the fix group will not necessarily be stationary, just like its
  98 orientation. When the {com} keyword is used, all atom positions will
  99 be shifted (after every tfMC iteration) in order to fix the position
 100 of the center-of-mass along the included directions, by setting the
 101 corresponding flag to 1. The {rot} keyword does the same for the
 102 rotational component of the tfMC displacements after every iteration.
 103
 104 NOTE: the {com} and {rot} keywords should not be used if an external
 105 force is acting on the specified fix group, along the included
 106 directions. This can be either a true external force (e.g.  through
 107 "fix wall"_fix_wall.html) or forces due to the interaction with atoms
 108 not included in the fix group. This is because in such cases,
 109 translations or rotations of the fix group could be induced by these
 110 external forces, and removing them will lead to a violation of
 111 detailed balance.
 112
 113 :line
 114
 115 [Restart, fix_modify, output, run start/stop, minimize info:]
 116
 117 No information about this fix is written to "binary restart
 118 files"_restart.html.
 119
 120 None of the "fix_modify"_fix_modify.html options are relevant to this
 121 fix.
 122
 123 This fix is not invoked during "energy minimization"_minimize.html.
 124
 125 [Restrictions:]
 126
 127 This fix is part of the MC package.  It is only enabled if LAMMPS was
 128 built with that package.  See the "Making
 129 LAMMPS"_Section_start.html#start_3 section for more info.
 130
 131 This fix is not compatible with "fix shake"_fix_shake.html.
 132
 133 [Related commands:]
 134
 135 "fix gcmc"_fix_gcmc.html, "fix nvt"_fix_nh.html
 136
 137 [Default:]
 138
 139 The option default is com = 0 0 0
 140
 141 :line
 142
 143 :link(Bal)
 144 [(Bal)] K. M Bal and E. C. Neyts, J. Chem. Phys. 141, 204104 (2014).
 145
 146 :link(Mees)
 147 [(Mees)] M. J. Mees, G. Pourtois, E. C. Neyts, B. J. Thijsse, and
 148 A. Stesmans, Phys. Rev. B 85, 134301 (2012).
 149
 150 :link(Neyts)
 151 [(Neyts)] E. C. Neyts and A. Bogaerts, Theor. Chem. Acc. 132, 1320
 152 (2013).