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空間分割(Cell subdivision)

因為我們要模擬的原子數量不少,所以要利用空間分割來減少計算量,詳細方法 請見 2.8 節,參考作用力的效範圍並分割原子到各個空間後,開始計算之間的作用力,

計算力的方法可以分成直接計算和對稱計算。

1. 直接計算:針對其中一顆原子,把其所在的空間以及相鄰的空間內的原子們,計算 它們對此原子的作用力並加總,得到此原子的作用力。依序地計算每一顆原子所受 的力,雖然計算費時,但程式的撰寫簡單。

2. 對稱計算:原理是利用(2.2)式,作用力和反作用力的關係,還有 2.6 節、2.8 節和 3.7 節講解的週期性邊界的影響。有別於直接計算,只需一半多的計算量,不過空 間的取法卻相當複雜且容易出錯。

3.4.1 對稱計算

以二維空間系統為例,見圖 3-4a,假設先以空間 1 為計算起點,對作用力可達的 範圍做運算,和直接計算不同的是,空間 1 只需和空間 1、2、3、4、5 做運算,但不

代表空間 1 沒有和空間 6、7、8、9 做運算,而是當以空間 6 為計算起點時,已和空間 1 做運算了,同理,空間 7、8、9 亦然。

圖 3-4a two-body 二維空間分割圖

3.4.2 two-body potential 的空間分割

本論文所模擬的系統為三維空間系統,見圖 3-4b,因為我們是以作用力的有效範 圍作為切割的長度,所以如果以黑色方塊為起點作直接運算,要計算的空間就如圖 3-4 所示,共 3 3 3 個方塊空間。為了減少計算所需的時間,利用在上小節說明的內 容,在三維空間時,利用透明和灰色方塊對稱的性質,只需對黑色和透明方塊進行運 算即可,雖然增加了些許程式寫法的難度,不過可大幅地縮減計算所需的時間。

× × =27

圖 3-4b two-body 三維空間分割圖

3.4.3 three-body potential 的空間分割

上小節所提及的 two-body potential,有效作用力範圍所涵蓋的空間,可包括 個方塊所組成的正立方體。本小節所要討論的 three-body potential,則要 多算一個有效作用力的距離,空間包括 5 5 5

3 3 3× × =27

× × =125個方塊所組成的正立方體,若是 對正立方體做直接計算,則共要取125 125 15625× = 次方塊位置,而有效的僅有數百種 取法,十分浪費運算時間,因此,我們利用對稱計算去簡化它。

由於三個原子可能在同一個方塊中,或是二個在同方塊,或是三個都不在同方塊,

以下針對同異方塊做討論:

1. 三個原子在同方塊:只要每個方塊都有各自計算到即可

2. 二個原子在同方塊:當計算起點在 two-body 所在的方塊時,會受到作用力的原 子只會在其周圍 26 個方塊中,所以只要依序計算 26 個方塊,並使每一個方塊 都當個起點,所有的排列組合都能計算到。對稱計算也可用在此,但是只是增 加複雜度,對於減少計算量並無貢獻。

3. 三個原子在異方塊:在此我們使用對稱的觀念來減少方塊的計算量,並有系統

地和不重覆地去取方塊來運算。

圖 3-5a three-body 三維空間分割圖(上層)

圖 3-5b three-body 三維空間分割圖(中層)

圖 3-5c three-body 三維空間分割圖(下層)

Three-body potential 的計算涵蓋 125 個方塊所組成的正立方體,參考 3.4.1 節和

3.4.2 節的原理和用法,將正立方體對稱簡化後,可得圖 3-5a、3-5b 和 3-5c,上中下三 層共 63 個方塊,灰色區域在黑色方塊周圍(距起點一個作用力有效距離),透明區域在 灰色區域外圍(距起點二個作用力有效距離),以黑色方塊為計算起點,有系統地和不 重覆地去取該被計算的方塊(作用力有效範圍內),選取和黑色距離最遠的方塊來分開 討論:

a. 最遠的方塊在透明區域:構成鍵結的三個原子中,有兩個原子分別在黑色和透 明方塊中,第三個原子如果要和另二個原子鍵結,勢必都在另二個原子的作用 有效範圍內,因此,對黑色周圍的方塊和透明周圍的方塊取交集,即為第三個 原子所在的方塊(不只有以上三圖的方塊列入考慮),數出在每個不同的透明方 塊下,有多少種選取方式。

b. 最遠的方塊在灰色區域:把灰色和黑色方塊拿出來,以三方塊是否在同一平面 分開來討論。

圖 3-6a three-body 三維空間分割圖(灰色區域上層)

圖 3-6b three-body 三維空間分割圖(灰色區域下層)

圖 3-6a 和圖 3-6b 為圖 3-5 的灰色和黑色方塊部分,共上下兩層。

z 三方塊不在同一平面上:代表著至少有一個方塊在上層,選取距黑色最遠的方塊 進行討論。見圖 3-6a,若最遠的方塊是四個角落的透明方塊之一,取透明和黑色 周圍方塊的交集處,即為第三個方塊的所在;若最遠的方塊是灰色方塊之一,第 三個方塊則是和灰色、黑色都有面接觸的方塊,而非周圍方塊的交集(若取交集將 重覆運算);淡色是最遠方塊的情形不需討論,已被上兩種選取方法所包括。

z 三方塊都在同一平面上:見圖 3-6b,要包含黑色方塊且不重覆選取,則可以得到 四個組合,見圖 3-7a、3-7b、3-7c 和 3-7d。

圖 3-7a 四排列組合之一 圖 3-7b 四排列組合之二

圖 3-7c 四排列組合之三 圖 3-7d 四排列組合之四

選取可能需要計算的方塊,過程雖然繁瑣且容易出錯,但是卻能有效的降低計算所需 的時間。

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