Skip to main content
SUPERVISOR
Seyed Javad Hashemifar,Mojtaba Alaei
سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور) مجتبی اعلائی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mostafa Yaghoobi
مصطفی یعقوبی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397

TITLE

Find the energy of disorder crystalline compounds using a machine learning approach
Today, there are several ways to find the interatomic potential energy of materials, which each of them has their own benefits. Quantum mechanics methods are highly accurate but can be very time-consuming. These methods can be tedious, particularly if the number of structures studied is large. There are substances in nature that, due to their specific atomic structure, may exist from a combination of hundreds of different structures. These so-called crystalline compounds are called disorder crystalline compounds. Therefore, finding the energy of these compounds using the previous methods is not very economical. Materials such as $NaCaNi_2F_7$, $MnFe_2O_4$, $ca_{8.63}Sb_{10}Sr_{2.37}$ and $Co_2Ni_2Nb_2O_9$ , which, due to this form of irregularity, contain 97, 1337, 318 and 644 independent structures, respectively. $Co_2Ni_2Nb_2O_9$ can exist in both ferrimagnetic and antiferromagnetic states, thus form two different datasets. Advances in computer science and knowledge of statistics and data have led to the application of machine learning in many areas of condensed matter physics, which has helped to perform calculations with the necessary accuracy and efficiency. Machine learning has already created a model for finding interatomic potential using data fitting. The main challenge in this research is to properly represent atomic structures and then find interatomic potential energy using machine learning methods. To use atomic configurations as input to machine learning, atomic systems must be converted to a numerical set of vectors or matrices by a specific set of functions. This set of functions is called a descriptor. To achieve the appropriate inputs for machine learning, descriptors must be invariant relative to the rotation, transfer, and permutation of the same atoms in the atomic systems. We have used descriptors Ewald matrix, Sine matrix, MBTR, SOAP and ACSF in this work. Recently, neural networks and kernel ridge regression have been considered for finding interatomic potentials, and we have used these two methods in this work. These two methods appear to have almost the same accuracy, but the neural network computations seems to be longer. Models obtained using kernel ridge regression using the sine matrix with an average error value of $0.0034Ha$ will be less accurate than other methods in this work. It can be said that the best model in the kernel ridge regression method is obtained by using MBTR with an average error of $0.0003144Ha$. Using neural networks with an average error value of $0.0004369Ha$ will create suitable models for us in this work.
امروزه روش‌های متعددی برای یافتن انرژی پتانسیل بین اتمی مواد وجود دارد، که هر کدام فواید خاص خود را دارند. روش‌های مکانیک کوانتومی از دقت بالایی برخوردار هستند، اما ممکن است بسیار زمان‌بر باشند. خصوصاً اگر تعداد ساختار‌های مورد بررسی زیاد باشد، این روش‌ها ممکن است طاقت‌فرسا باشند. در طبیعت موادی وجود دارند که به دلیل ساختار اتمی خاص آن‌ها ممکن است از یک نوع ترکیب صد‌ها ساختار مختلف وجود داشته باشد، اصطلاحاً به این ترکیبات بلوری، ترکیبات بلوری بی‌نظم گفته می‌شود. بنابراین یافتن انرژی این ترکیبات با استفاده از روش‌های مکانیک کوانتومی، چندان مقرون‌ به صرفه نیست. موادی همچون NaCaNi_2F_7 ، Co_2Ni_2Nb_2O_9 ،Ca_8.63Sb_10Sr_2.37 و MnFe_2O_4 به دلیل این شکل از بی‌نظمی شامل به ترتیب 97، 644، 318، 1337 ساختار مختلف مستقل هستند. ماده Co_2Ni_2Nb_2O_9 می‌تواند هم در حالت فری‌مغناطیس و هم در حالت آنتی‌فرومغناطیس وجود داشته باشد،‌ بنابراین دو مجموعه داده متفاوت ایجاد خواهد کرد. پیشرفت علوم کامپیوتر و دانش آمار و داده‌ها، منجربه کاربرد یادگیری ماشین در بسیاری از زمینه‌های فیزیک ماده چگال شده است، که به انجام محاسبات با دقت و کارایی لازم، کمک کرده است. یادگیری ماشین در حال حاضر الگویی برای یافتن پتانسیل بین اتمی با استفاده از برازش داده‌ها ایجاد کرده است. چالش اصلی در این پژوهش نمایش مناسب ساختارهای اتمی و پس از آن یافتن انرژی پتانسیل بین اتمی با استفاده از روش‌های یادگیری ماشین است. برای استفاده از ترکیبات به عنوان ورودی‌های یادگیری ماشین، باید به وسیله مجموعه خاصی از توابع، سیستم‌های اتمی را به یک مجموعه عددی، به صورت یک بردار یا یک ماتریس تبدیل کرد. به این مجموعه توابع توصیفگر گفته می‌شود. برای رسیدن به ورودی‌های مناسب یادگیری ماشین،‌توصیفگر‌ها باید نسبت به عملگر‌های چرخش، انتقال و همین‌طور جایگشت اتم‌های یکسان در سیستم اتمی ثابت باشند. ما از توصیفگر‌های ماتریس ایوالد، تانسورهای چندجسمی، ماتریس همپوشانی نرم موقعیت‌های اتمی، ماتریس سینوس و توابع متقارن مرکز اتمی برای نمایش سیستم‌های اتمی، استفاده کرده‌ایم. اخیراً شبکه‌های عصبی و رگرسیون لبه‌ای کرنل برای یافتن پتانسیل‌های بین اتمی مورد توجه قرار گرفته‌اند، ما نیز در این کار از این دو روش استفاده کرده‌ایم. به نظر می‌رسد این دو روش از دقت تقریباً یکسانی برخوردارند، اما محاسبات مربوط به شبکه‌های عصبی نسبتاً طولانی‌تر می‌باشند. مدل‌های بدست آمده با استفاده از رگرسیون لبه‌ای کرنل در استفاده از ماتریس سینوس با توجه به مقدار متوسط خطای 0.0034Ha از سایر روش‌ها در این کار ازدقت کمتری برخوردار خواهند بود،‌ و می‌توان گفت بهترین مدل‌ در روش رگرسیون لبه‌ای کرنل با استفاده از توصیفگر تانسور‌های چند جسمی با خطای متوسط 0.0003144Ha بدست می‌آید. استفاده از روش شبکه‌های عصبی با دارا بودن مقدار خطای متوسط 0.0004369Ha مدل‌های مناسبی در این کار برای ما ایجاد خواهند کرد.

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی