メタダイナミクス法を利用した研究

メタダイナミクス法とは、ある系に対する任意の集団変数(Collective Variable, CV)に沿った自由エネルギー表面において、系が到達する位置に通常ガウス関数型の小さなポテンシャルの山を加えることにより、別な位置へ移動しやすくする方法です。この方法を組み込んだMDシミュレーションを行うことにより、短時間のランでも系がとる様々な構造のサンプリングが可能となります。また、シミュレーション結果を解析することによって通常は未知の自由エネルギー表面を知ることができます。私たちは、この方法を使って未知の結晶相の探索や結晶形成メカニズムの研究を行っています。

 
 

動画:あるCV(横軸)に沿った自由エネルギー表面(通常は未知)上における系の挙動。通常のMD(上)では、ひとたび系があるローカルミニマムに落ち込むとそこからなかなか別な状態へ転移しないが、メタダイナミクス(下)ではそこがポテンシャルの山(緑)で埋められていくため、他のローカルミニマムへ移動できる。赤い星は系が到達する状態を表す。ローカルミニマムが深ければ深いほどそこでのポテンシャル加算回数が多くなる。すなわち、後からポテンシャル加算の履歴を解析することにより未知の自由エネルギー表面を知ることができる。