git-svn-id: svn://svn.icms.temple.edu/lammps-ro/trunk@16053 f3b2605a-c512-4ea7-a41b...
[lammps.git] / doc / src / pair_eff.txt
blob6be8cdc785d6801702ff1392b4604321e28ef92e
1 "LAMMPS WWW Site"_lws - "LAMMPS Documentation"_ld - "LAMMPS Commands"_lc :c
3 :link(lws,http://lammps.sandia.gov)
4 :link(ld,Manual.html)
5 :link(lc,Section_commands.html#comm)
7 :line
9 pair_style eff/cut command :h3
11 [Syntax:]
13 pair_style eff/cut cutoff keyword args ... :pre
15 cutoff = global cutoff for Coulombic interactions :ulb,l
16 zero or more keyword/value pairs may be appended :l
17 keyword = {limit/eradius} or {pressure/evirials} or {ecp}
18   {limit/eradius} args = none
19   {pressure/evirials} args = none
20   {ecp} args = type element type element ...
21     type = LAMMPS atom type (1 to Ntypes)
22     element = element symbol (e.g. H, Si) :pre
23 :ule
25 [Examples:]
27 pair_style eff/cut 39.7
28 pair_style eff/cut 40.0 limit/eradius
29 pair_style eff/cut 40.0 limit/eradius pressure/evirials
30 pair_style eff/cut 40.0 ecp 1 Si 3 C
31 pair_coeff * *
32 pair_coeff 2 2 20.0
33 pair_coeff 1 s 0.320852 2.283269 0.814857
34 pair_coeff 3 p 22.721015 0.728733 1.103199 17.695345 6.693621 :pre
36 [Description:]
38 This pair style contains a LAMMPS implementation of the electron Force
39 Field (eFF) potential currently under development at Caltech, as
40 described in "(Jaramillo-Botero)"_#Jaramillo-Botero.  The eFF for Z<6
41 was first introduced by "(Su)"_#Su in 2007. It has been extended to
42 higher Zs by using effective core potentials (ECPs) that now cover up
43 to 2nd and 3rd row p-block elements of the periodic table.
45 eFF can be viewed as an approximation to QM wave packet dynamics and
46 Fermionic molecular dynamics, combining the ability of electronic
47 structure methods to describe atomic structure, bonding, and chemistry
48 in materials, and of plasma methods to describe nonequilibrium
49 dynamics of large systems with a large number of highly excited
50 electrons.  Yet, eFF relies on a simplification of the electronic
51 wavefunction in which electrons are described as floating Gaussian
52 wave packets whose position and size respond to the various dynamic
53 forces between interacting classical nuclear particles and spherical
54 Gaussian electron wavepackets.  The wavefunction is taken to be a
55 Hartree product of the wave packets.  To compensate for the lack of
56 explicit antisymmetry in the resulting wavefunction, a spin-dependent
57 Pauli potential is included in the Hamiltonian.  Substituting this
58 wavefunction into the time-dependent Schrodinger equation produces
59 equations of motion that correspond - to second order - to classical
60 Hamiltonian relations between electron position and size, and their
61 conjugate momenta.  The N-electron wavefunction is described as a
62 product of one-electron Gaussian functions, whose size is a dynamical
63 variable and whose position is not constrained to a nuclear
64 center. This form allows for straightforward propagation of the
65 wavefunction, with time, using a simple formulation from which the
66 equations of motion are then integrated with conventional MD
67 algorithms. In addition to this spin-dependent Pauli repulsion
68 potential term between Gaussians, eFF includes the electron kinetic
69 energy from the Gaussians.  These two terms are based on
70 first-principles quantum mechanics.  On the other hand, nuclei are
71 described as point charges, which interact with other nuclei and
72 electrons through standard electrostatic potential forms.
74 The full Hamiltonian (shown below), contains then a standard
75 description for electrostatic interactions between a set of
76 delocalized point and Gaussian charges which include, nuclei-nuclei
77 (NN), electron-electron (ee), and nuclei-electron (Ne). Thus, eFF is a
78 mixed QM-classical mechanics method rather than a conventional force
79 field method (in which electron motions are averaged out into ground
80 state nuclear motions, i.e a single electronic state, and particle
81 interactions are described via empirically parameterized interatomic
82 potential functions). This makes eFF uniquely suited to simulate
83 materials over a wide range of temperatures and pressures where
84 electronically excited and ionized states of matter can occur and
85 coexist.  Furthermore, the interactions between particles -nuclei and
86 electrons- reduce to the sum of a set of effective pairwise potentials
87 in the eFF formulation.  The {eff/cut} style computes the pairwise
88 Coulomb interactions between nuclei and electrons (E_NN,E_Ne,E_ee),
89 and the quantum-derived Pauli (E_PR) and Kinetic energy interactions
90 potentials between electrons (E_KE) for a total energy expression
91 given as,
93 :c,image(Eqs/eff_energy_expression.jpg)
95 The individual terms are defined as follows:
97 :c,image(Eqs/eff_KE.jpg)
99 :c,image(Eqs/eff_NN.jpg)
101 :c,image(Eqs/eff_Ne.jpg)
103 :c,image(Eqs/eff_ee.jpg)
105 :c,image(Eqs/eff_Pauli.jpg)
107 where, s_i correspond to the electron sizes, the sigmas i's to the
108 fixed spins of the electrons, Z_i to the charges on the nuclei, R_ij
109 to the distances between the nuclei or the nuclei and electrons, and
110 r_ij to the distances between electrons.  For additional details see
111 "(Jaramillo-Botero)"_#Jaramillo-Botero.
113 The overall electrostatics energy is given in Hartree units of energy
114 by default and can be modified by an energy-conversion constant,
115 according to the units chosen (see "electron_units"_units.html).  The
116 cutoff Rc, given in Bohrs (by default), truncates the interaction
117 distance.  The recommended cutoff for this pair style should follow
118 the minimum image criterion, i.e. half of the minimum unit cell
119 length.
121 Style {eff/long} (not yet available) computes the same interactions as
122 style {eff/cut} except that an additional damping factor is applied so
123 it can be used in conjunction with the
124 "kspace_style"_kspace_style.html command and its {ewald} or {pppm}
125 option.  The Coulombic cutoff specified for this style means that
126 pairwise interactions within this distance are computed directly;
127 interactions outside that distance are computed in reciprocal space.
129 This potential is designed to be used with "atom_style
130 electron"_atom_style.html definitions, in order to handle the
131 description of systems with interacting nuclei and explicit electrons.
133 The following coefficients must be defined for each pair of atoms
134 types via the "pair_coeff"_pair_coeff.html command as in the examples
135 above, or in the data file or restart files read by the
136 "read_data"_read_data.html or "read_restart"_read_restart.html
137 commands, or by mixing as described below:
139 cutoff (distance units) :ul
141 For {eff/cut}, the cutoff coefficient is optional.  If it is not used
142 (as in some of the examples above), the default global value specified
143 in the pair_style command is used.
145 For {eff/long} (not yet available) no cutoff will be specified for an
146 individual I,J type pair via the "pair_coeff"_pair_coeff.html command.
147 All type pairs use the same global cutoff specified in the pair_style
148 command.
150 :line
152 The {limit/eradius} and {pressure/evirials} keywrods are optional.
153 Neither or both must be specified.  If not specified they are unset.
155 The {limit/eradius} keyword is used to restrain electron size from
156 becoming excessively diffuse at very high temperatures were the
157 Gaussian wave packet representation breaks down, and from expanding as
158 free particles to infinite size.  If unset, electron radius is free to
159 increase without bounds.  If set, a restraining harmonic potential of
160 the form E = 1/2k_ss^2 for s > L_box/2, where k_s = 1 Hartrees/Bohr^2,
161 is applied on the electron radius.
163 The {pressure/evirials} keyword is used to control between two types
164 of pressure computation: if unset, the computed pressure does not
165 include the electronic radial virials contributions to the total
166 pressure (scalar or tensor).  If set, the computed pressure will
167 include the electronic radial virial contributions to the total
168 pressure (scalar and tensor).
170 The {ecp} keyword is used to associate an ECP representation for a
171 particular atom type.  The ECP captures the orbital overlap between a
172 core pseudo particle and valence electrons within the Pauli repulsion.
173 A list of type:element-symbol pairs may be provided for all ECP
174 representations, after the "ecp" keyword.
176 NOTE: Default ECP parameters are provided for C, N, O, Al, and Si.
177 Users can modify these using the pair_coeff command as exemplified
178 above.  For this, the User must distinguish between two different
179 functional forms supported, one that captures the orbital overlap
180 assuming the s-type core interacts with an s-like valence electron
181 (s-s) and another that assumes the interaction is s-p.  For systems
182 that exhibit significant p-character (e.g. C, N, O) the s-p form is
183 recommended. The "s" ECP form requires 3 parameters and the "p" 5
184 parameters.
186 NOTE: there are two different pressures that can be reported for eFF
187 when defining this pair_style, one (default) that considers electrons
188 do not contribute radial virial components (i.e. electrons treated as
189 incompressible 'rigid' spheres) and one that does.  The radial
190 electronic contributions to the virials are only tallied if the
191 flexible pressure option is set, and this will affect both global and
192 per-atom quantities.  In principle, the true pressure of a system is
193 somewhere in between the rigid and the flexible eFF pressures, but,
194 for most cases, the difference between these two pressures will not be
195 significant over long-term averaged runs (i.e. even though the energy
196 partitioning changes, the total energy remains similar).
198 :line
200 NOTE: This implemention of eFF gives a reasonably accurate description
201 for systems containing nuclei from Z = 1-6 in "all electron"
202 representations.  For systems with increasingly non-spherical
203 electrons, Users should use the ECP representations.  ECPs are now
204 supported and validated for most of the 2nd and 3rd row elements of
205 the p-block.  Predefined parameters are provided for C, N, O, Al, and
206 Si.  The ECP captures the orbital overlap between the core and valence
207 electrons (i.e. Pauli repulsion) with one of the functional forms:
209 :c,image(Eqs/eff_ECP1.jpg)
210 :c,image(Eqs/eff_ECP2.jpg)
212 Where the 1st form correspond to core interactions with s-type valence
213 electrons and the 2nd to core interactions with p-type valence
214 electrons.
216 The current version adds full support for models with fixed-core and
217 ECP definitions.  to enable larger timesteps (i.e. by avoiding the
218 high frequency vibrational modes -translational and radial- of the 2 s
219 electrons), and in the ECP case to reduce the increased orbital
220 complexity in higher Z elements (up to Z<18).  A fixed-core should be
221 defined with a mass that includes the corresponding nuclear mass plus
222 the 2 s electrons in atomic mass units (2x5.4857990943e-4), and a
223 radius equivalent to that of minimized 1s electrons (see examples
224 under /examples/USER/eff/fixed-core).  An pseudo-core should be
225 described with a mass that includes the corresponding nuclear mass,
226 plus all the core electrons (i.e no outer shell electrons), and a
227 radius equivalent to that of a corresponding minimized full-electron
228 system.  The charge for a pseudo-core atom should be given by the
229 number of outer shell electrons.
231 In general, eFF excels at computing the properties of materials in
232 extreme conditions and tracing the system dynamics over multi-picosend
233 timescales; this is particularly relevant where electron excitations
234 can change significantly the nature of bonding in the system. It can
235 capture with surprising accuracy the behavior of such systems because
236 it describes consistently and in an unbiased manner many different
237 kinds of bonds, including covalent, ionic, multicenter, ionic, and
238 plasma, and how they interconvert and/or change when they become
239 excited.  eFF also excels in computing the relative thermochemistry of
240 isodemic reactions and conformational changes, where the bonds of the
241 reactants are of the same type as the bonds of the products.  eFF
242 assumes that kinetic energy differences dominate the overall exchange
243 energy, which is true when the electrons present are nearly spherical
244 and nodeless and valid for covalent compounds such as dense hydrogen,
245 hydrocarbons, and diamond; alkali metals (e.g. lithium), alkali earth
246 metals (e.g. beryllium) and semimetals such as boron; and various
247 compounds containing ionic and/or multicenter bonds, such as boron
248 dihydride.
250 :line
252 [Mixing, shift, table, tail correction, restart, rRESPA info]:
254 For atom type pairs I,J and I != J, the cutoff distance for the
255 {eff/cut} style can be mixed.  The default mix value is {geometric}.
256 See the "pair_modify" command for details.
258 The "pair_modify"_pair_modify.html shift option is not relevant for
259 these pair styles.
261 The {eff/long} (not yet available) style supports the
262 "pair_modify"_pair_modify.html table option for tabulation of the
263 short-range portion of the long-range Coulombic interaction.
265 These pair styles do not support the "pair_modify"_pair_modify.html
266 tail option for adding long-range tail corrections to energy and
267 pressure.
269 These pair styles write their information to "binary restart
270 files"_restart.html, so pair_style and pair_coeff commands do not need
271 to be specified in an input script that reads a restart file.
273 These pair styles can only be used via the {pair} keyword of the
274 "run_style respa"_run_style.html command.  They do not support the
275 {inner}, {middle}, {outer} keywords.
277 :line
279 [Restrictions:]
281 These pair styles will only be enabled if LAMMPS is built with the
282 USER-EFF package.  It will only be enabled if LAMMPS was built with
283 that package.  See the "Making LAMMPS"_Section_start.html#start_3
284 section for more info.
286 These pair styles require that particles store electron attributes
287 such as radius, radial velocity, and radital force, as defined by the
288 "atom_style"_atom_style.html.  The {electron} atom style does all of
289 this.
291 Thes pair styles require you to use the "comm_modify vel
292 yes"_comm_modify.html command so that velocites are stored by ghost
293 atoms.
295 [Related commands:]
297 "pair_coeff"_pair_coeff.html
299 [Default:]
301 If not specified, limit_eradius = 0 and pressure_with_evirials = 0.
303 :line
305 :link(Su)
306 [(Su)] Su and Goddard, Excited Electron Dynamics Modeling of Warm
307 Dense Matter, Phys Rev Lett, 99:185003 (2007).
309 :link(Jaramillo-Botero)
310 [(Jaramillo-Botero)] Jaramillo-Botero, Su, Qi, Goddard, Large-scale,
311 Long-term Non-adiabatic Electron Molecular Dynamics for Describing
312 Material Properties and Phenomena in Extreme Environments, J Comp
313 Chem, 32, 497-512 (2011).