Publication

Accurate thermal conductivities from optimally short molecular dynamics simulations

Résumé

The evaluation of transport coefficients in extended systems, such as thermal conductivity or shear viscosity, is known to require impractically long simulations, thus calling for a paradigm shift that would allow to deploy state-of-the-art quantum simulation methods. We introduce a new method to compute these coefficients from optimally short molecular dynamics simulations, based on the Green-Kubo theory of linear response and the cepstral analysis of time series. Information from the full sample power spectrum of the relevant current for a single and relatively short trajectory is leveraged to evaluate and optimally reduce the noise affecting its zero-frequency value, whose expectation is proportional to the corresponding conductivity. Our method is unbiased and consistent, in that both the resulting bias and statistical error can be made arbitrarily small in the long-time limit. A simple data-analysis protocol is proposed and validated with the calculation of thermal conductivities in the paradigmatic cases of elemental and molecular fluids (liquid Ar and H2O) and of crystalline and glassy solids (MgO and a-SiO2). We find that simulation times of one to a few hundred picoseconds are sufficient in these systems to achieve an accuracy of the order of 10% on the estimated thermal conductivities.

À propos de ce résultat
Cette page est générée automatiquement et peut contenir des informations qui ne sont pas correctes, complètes, à jour ou pertinentes par rapport à votre recherche. Il en va de même pour toutes les autres pages de ce site. Veillez à vérifier les informations auprès des sources officielles de l'EPFL.
Concepts associés (18)
Simulation de phénomènes
La simulation de phénomènes est un outil utilisé dans le domaine de la recherche et du développement. Elle permet d'étudier les réactions d'un système à différentes contraintes pour en déduire les résultats recherchés en se passant d'expérimentation. Les systèmes technologiques (infrastructures, véhicules, réseaux de communication, de transport ou d'énergie) sont soumis à différentes contraintes et actions. Le moyen le plus simple d'étudier leurs réactions serait d'expérimenter, c'est-à-dire d'exercer l'action souhaitée sur l'élément en cause pour observer ou mesurer le résultat.
Conductivité thermique
La conductivité thermique (ou conductibilité thermique) d'un matériau est une grandeur physique qui caractérise sa capacité à diffuser la chaleur dans les milieux sans déplacement macroscopique de matière. C'est le rapport de l'énergie thermique (quantité de chaleur) transférée par unité de temps (donc homogène à une puissance, en watts) et de surface au gradient de température. Notée λ (anciennement K voire k), la conductivité thermique intervient notamment dans la loi de Fourier.
Stochastic simulation
A stochastic simulation is a simulation of a system that has variables that can change stochastically (randomly) with individual probabilities. Realizations of these random variables are generated and inserted into a model of the system. Outputs of the model are recorded, and then the process is repeated with a new set of random values. These steps are repeated until a sufficient amount of data is gathered. In the end, the distribution of the outputs shows the most probable estimates as well as a frame of expectations regarding what ranges of values the variables are more or less likely to fall in.
Afficher plus
Publications associées (32)

Divide-and-conquer one-step simulator for the generation of synthetic households

Michel Bierlaire, Marija Kukic

This paper presents a novel simulation approach for generating synthetic households, addressing several literature gaps from the methodological viewpoint. The generation of hierarchical datasets such as complete households is challenging since it must guar ...
2023

Traversing Time Dependent Light Fields for Daylight Glare Evaluation

Stephen William Wasilewski

To understand how daylight gives shape and life to architectural spaces, whether existing or imagined, requires quantifying its dynamism and energy. Maintaining these details presents a challenge to simulation and analysis methods that flatten data into di ...
EPFL2023

Generalizing Bulk-Synchronous Parallel Processing for Data Science: From Data to Threads and Agent-Based Simulations

Zilu Tian

Agent-based simulations have been widely applied in many disciplines, by scientists and engineers alike. Scientists use agent-based simulations to tackle global problems, including alleviating poverty, reducing violence, and predicting the impact of pandem ...
EPFL2023
Afficher plus

Graph Chatbot

Chattez avec Graph Search

Posez n’importe quelle question sur les cours, conférences, exercices, recherches, actualités, etc. de l’EPFL ou essayez les exemples de questions ci-dessous.

AVERTISSEMENT : Le chatbot Graph n'est pas programmé pour fournir des réponses explicites ou catégoriques à vos questions. Il transforme plutôt vos questions en demandes API qui sont distribuées aux différents services informatiques officiellement administrés par l'EPFL. Son but est uniquement de collecter et de recommander des références pertinentes à des contenus que vous pouvez explorer pour vous aider à répondre à vos questions.