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Equivariant representations for molecular Hamiltonians and N-center atomic-scale properties

Résumé

Symmetry considerations are at the core of the major frameworks used to provide an effective mathematical representation of atomic configurations that is then used in machine-learning models to predict the properties associated with each structure. In most cases, the models rely on a description of atom-centered environments and are suitable to learn atomic properties or global observables that can be decomposed into atomic contributions. Many quantities that are relevant for quantum mechanical calculations, however-most notably the single-particle Hamiltonian matrix when written in an atomic orbital basis-are not associated with a single center, but with two (or more) atoms in the structure. We discuss a family of structural descriptors that generalize the very successful atom-centered density correlation features to the N-center case and show, in particular, how this construction can be applied to efficiently learn the matrix elements of the (effective) single-particle Hamiltonian written in an atom-centered orbital basis. These N-center features are fully equivariant-not only in terms of translations and rotations but also in terms of permutations of the indices associated with the atoms-and are suitable to construct symmetry-adapted machine-learning models of new classes of properties of molecules and materials.

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Combinaison linéaire d'orbitales atomiques
En chimie quantique, une combinaison linéaire d'orbitales atomiques (CLOA) représente la superposition d'orbitales atomiques et permet de calculer les orbitales moléculaires. En effet, dans une molécule le nuage d'électrons est modifié et dépend des atomes participant aux liaisons chimiques : la CLOA permet d'approximer cette nouvelle fonction d'onde en se basant sur celles de chaque élément pris individuellement.
Orbitale atomique
redresse=1.5|vignette|Représentation des nuages de probabilité de présence de l'électron (en haut) et des isosurfaces à 90 % (en bas) pour les orbitales 1s, 2s et 2p. Dans le cas des orbitales 2p ( ), les trois isosurfaces 2p, 2p et 2p représentées correspondent à , et . Les couleurs indiquent la phase de la fonction d'onde : positive en rouge, négative en bleu. En mécanique quantique, une orbitale atomique est une fonction mathématique qui décrit le comportement ondulatoire d'un électron ou d'une paire d'électrons dans un atome.
Orbitale moléculaire
vignette|Orbitales moléculaires du 1,3-butadiène, montrant les deux orbitales occupées à l'état fondamental : π est liante entre tous les atomes, tandis que π n'est liante qu'entre les atomes C et C ainsi qu'entre les atomes C et C, et est antiliante entre C et C. En chimie quantique, une orbitale moléculaire est une fonction mathématique décrivant le comportement ondulatoire d'un électron dans une molécule.
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