中科大蒋彬课题组开发 FIREANN，分析原子对外界场的响应
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- 2025-05-05 22:17:42
中国科学技术大学的蒋彬课题组开发了 FIREANN，这一创新性模型通过引入场相关特征，在原子环境中对化学系统与外场的相互作用进行了深入分析。FIREANN 的应用超越了传统方法的局限，通过机器学习准确描述了系统在不同场相关性的变化趋势，并能对任意阶数的系统响应进行预测。这一突破性成果已发表于「Nature Communication」，为研究化学系统与外场相互作用提供了新的视角。
FIREANN 建立在 REANN 模型的基础上，通过嵌入原子密度对原子环境进行描述。当外加场作用时，电子密度会重新分布，破坏系统旋转不变性，影响与外场的相互作用。FIREANN 通过为每个原子模拟真实行为的伪原子场向量，将场相关轨道与高斯轨道结合，形成场相关嵌入原子密度，作为神经网络输入，输出包括原子力、偶极矩、极化率在内的物理量。
模型的关键在于引入场相关特征，使 FIREANN 能够准确预测系统对场强度和方向变化的响应。在玩具模型——水分子的验证中，FIREANN 预测了分子在电场作用下的能量、偶极矩和极化率，结果与实验高度一致。此外，FIREANN 还展示了强大的外推能力，仅用单一训练数据就能预测电场强度变化时分子势能的变化。
在 N-甲基乙酰胺 (NMA) 上的应用进一步证实了 FIREANN 的预测能力，模型对能量、偶极矩和极化率的预测均方根误差分别为 0.0053 eV、0.028 Debye 和 0.51 a.u.。FIREANN 还预测了场内分子光谱的变化，随着电场强度增加，C-O 伸缩带的变化最为明显，吸收峰变得更加尖锐。此外，模型预测了外加电场降低化学键强度导致 CO 拉伸振动的红移。
FIREANN 在液态水中的应用验证了其预测周期系统对外加电场响应的能力。模型对原子力、势能面和偶极矩面的预测与实验结果高度吻合。IR 谱预测中，电场对 O-H 键强度的影响导致光谱中 O-H 伸缩带出现红移。
对比 REANN，FIREANN 显示出更出色的外推能力和高速训练特性。FIREANN 对周期系统和非周期系统的响应分析提供了新方法，为研究微观系统与外场相互作用提供了有力工具。这一模型的开发为深入理解化学系统与外场的相互作用提供了新的途径。
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