Cubo de hielo volador

En las simulaciones de dinámica molecular (DM), el efecto del cubo de hielo volador es un artefacto en el que la energía de los modos fundamentales de alta frecuencia se disipa en modos de baja frecuencia, particularmente en movimientos de frecuencia cero como la traslación y rotación global del sistema. El artefacto deriva su nombre de una manifestación particularmente notable que surge en simulaciones de partículas en el vacío , donde el sistema simulado adquiere un alto momento lineal y experimenta movimientos internos extremadamente amortiguados, congelando el sistema en una única conformación que recuerda a un cubo de hielo u otro cuerpo rígido volando por el espacio. El artefacto es enteramente una consecuencia de los algoritmos de dinámica molecular y es completamente irreal, ya que viola el principio de equipartición de la energía . ^{[ 1 ]}

El artefacto del cubo de hielo volador surge de los reescalamientos repetidos de las velocidades de las partículas en el sistema de simulación. El reescalamiento de velocidad es un medio para imponer un termostato al sistema multiplicando las velocidades de las partículas del sistema por un factor después de que se completa un paso de tiempo de integración, como lo hacen el termostato de Berendsen y el termostato de Bussi-Donadio-Parrinello. ^{[ 2 ]} Estos esquemas fallan cuando el reescalamiento se realiza a una distribución de energía cinética de un conjunto que no es invariante bajo la dinámica molecular microcanónica ; por lo tanto, el termostato de Berendsen (que reescala al conjunto isocinético) exhibe el artefacto, mientras que el termostato de Bussi-Donadio-Parrinello ^{[ 2 ]} (que reescala al conjunto canónico) no lo exhibe. El reescalado a un conjunto que no es invariante bajo dinámica molecular microcanónica resulta en una violación de la condición de equilibrio que es un requisito de las simulaciones de Monte Carlo (las simulaciones de dinámica molecular con termostatos de reescalado de velocidad pueden pensarse como simulaciones de Monte Carlo con movimientos de dinámica molecular y movimientos de reescalado de velocidad), que es la razón subyacente del artefacto. ^{[ 3 ]}

Cuando se descubrió por primera vez el problema del cubo de hielo volador, el termostato de Bussi-Donadio-Parrinello ^{[ 2 ]} aún no se había desarrollado, y se deseaba continuar utilizando el termostato de Berendsen debido a la eficiencia con la que los termostatos de reescalado de velocidad relajan los sistemas a las temperaturas deseadas. Por lo tanto, se dieron sugerencias para evitar el efecto del cubo de hielo volador con el termostato de Berendsen, como eliminar periódicamente los movimientos del centro de masa y utilizar un tiempo de acoplamiento de temperatura más prolongado. ^{[ 1 ]} Sin embargo, más recientemente se ha recomendado que la mejor práctica es suspender por completo el uso del termostato de Berendsen en favor del termostato de Bussi-Donadio-Parrinello ^{[ 2 ]} , ya que se ha demostrado que este último no presenta el efecto del cubo de hielo volador. ^{[ 3 ]}