A Symmetry-Based Approach to Minimum Energy Pathways

基于对称性的最小能量路径方法

基本信息

项目摘要

Non-technical description: Symmetry is a powerful tool in all of physical sciences. Distortions, often a collection of atomic trajectories, are important for understanding a range of kinetic materials processes where atoms move under external stimuli such as fields, temperature, and stress. Predicting which path a material would take in undergoing a distortion is important for any application which involves such atomic motion. However, predicting such paths, called minimum energy pathways (MEPs), is currently stochastic in nature, and one can never be sure of the final results. This project aims at developing a new symmetry-based framework and computational tools through the introduction of new ideas such as distortion-reversal symmetry and distortion groups; it significantly improves the speed, numerical accuracy, and the comprehensive nature of search for such paths. Experimental verification of the theory predictions is the other aspect of this research. The growing need for educational training in computation materials research is being addressed with hands-on workshops in density-functional theory, active mentoring of undergraduates in research including women and underrepresented groups, and through active participation in STEM Academy of the Upward Bound Math and Science Program, as well as Penn State Millennium Scholars Program that attracts and guides talented STEM students to the undergraduate program. Technical description: This is an integrated theory-experimental proposal that develops new symmetry ideas and computational tools to explore minimum energy pathways (MEPs) for distortions, and more specifically, for ferroelectric domain switching and domain wall motion. The MEPs are computed by the Nudged Elastic Band method (NEB); however, it currently relies on a combination of stochastic process and user intuition to construct initial paths. The principal investigators are focused on the concept of the symmetry group of a path and are develop a code (to be made publicly available when ready) to implement these ideas in Quantum Espresso, an open-source density functional theory (DFT) software. Three model system classes are picked, namely, in simple perovskites, in layered oxides, and in multiferroics, to make predictions. The predicted MEPs with this approach are tested using the experimental techniques that push in-situ dynamics with 2-5 picometers metrology in electron microscopy, and ultrafast electron diffraction microscopy techniques.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术性描述:对称性在所有物理科学中都是一个强大的工具。扭曲,通常是原子轨迹的集合,对于理解一系列动力学材料过程非常重要,其中原子在外部刺激(如场,温度和应力)下移动。预测材料在经历变形时会采取哪条路径对于涉及这种原子运动的任何应用都很重要。然而,预测这样的路径,称为最小能量路径(MEP),目前在本质上是随机的,人们永远无法确定最终的结果。该项目旨在通过引入畸变-反转对称和畸变群等新思想,开发一种新的基于几何的框架和计算工具;它显著提高了搜索此类路径的速度、数值精度和综合性。理论预测的实验验证是本研究的另一个方面。对计算材料研究教育培训日益增长的需求正在通过密度泛函理论的实践研讨会,包括妇女和代表性不足的群体在内的研究本科生的积极指导,以及通过积极参与STEM学院的向上约束数学和科学计划,以及宾夕法尼亚州立大学千年学者计划,吸引和指导有才华的STEM学生参加本科课程。技术说明:这是一个综合的理论实验的建议,开发新的对称性的想法和计算工具,探索最小能量路径(MEP)的扭曲,更具体地说,铁电畴开关和畴壁运动。MEP是由轻推弹性带方法(NEB)计算的;然而,它目前依赖于随机过程和用户直觉的组合来构建初始路径。主要研究人员专注于路径对称群的概念,并开发了一个代码(准备好后将公开提供),以在量子咖啡(Quantum Espresso)中实现这些想法,这是一个开源的密度泛函理论(DFT)软件。三个模型系统类,即,在简单的钙钛矿,层状氧化物,并在多铁性,作出预测。使用实验技术,推动原位动态与2-5皮米计量学在电子显微镜,和超快电子衍射显微镜technology.This奖项反映了NSF的法定使命,并已被认为是值得通过使用该基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估的支持。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Understanding the influence of defects and surface chemistry on ferroelectric switching: a ReaxFF investigation of BaTiO3
  • DOI:
    10.1039/c9cp02955a
  • 发表时间:
    2019-09-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Akbarian, Dooman;Yilmaz, Dundar E.;van Duin, Adri C. T.
  • 通讯作者:
    van Duin, Adri C. T.
Shear-induced unidirectional deposition of bacterial cellulose microfibrils using rising bubble stream cultivation
  • DOI:
    10.1016/j.carbpol.2020.117328
  • 发表时间:
    2021-01-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Chae, Inseok;Bokhari, Syed M. Q.;Kim, Seong H.
  • 通讯作者:
    Kim, Seong H.
High-Pressure Synthesis and Ferrimagnetism of Ni 3 TeO 6 -Type Mn 2 ScMO 6 (M = Nb, Ta)
Ni 3 TeO 6 型Mn 2 ScMO 6 (M = Nb, Ta)的高压合成及其亚铁磁性
  • DOI:
    10.1021/acs.inorgchem.9b02468
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Feng, Hai L.;Deng, Zheng;Croft, Mark;Lapidus, Saul H.;Zu, Rui;Gopalan, Venkatraman;Grams, Christoph P.;Hemberger, Joachim;Liu, Sizhan;Tyson, Trevor A.
  • 通讯作者:
    Tyson, Trevor A.
Discovering minimum energy pathways via distortion symmetry groups
  • DOI:
    10.1103/physrevb.98.085107
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Jason M. Munro;H. Akamatsu;Haricharan Padmanabhan;Vincent S Liu;Yin Shi;Long-Qing Chen;B. K. Vanleeuwen-B.-K.
  • 通讯作者:
    Jason M. Munro;H. Akamatsu;Haricharan Padmanabhan;Vincent S Liu;Yin Shi;Long-Qing Chen;B. K. Vanleeuwen-B.-K.
Wedge reversion antisymmetry and 41 types of physical quantities in arbitrary dimensions
楔形反转反对称性和任意维度的41种物理量
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Venkatraman Gopalan其他文献

Development of Hybrid Improper Ferroelectric Layered Perovskites
杂化非适当铁电层状钙钛矿的开发
  • DOI:
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Suguru Yoshida;Hirofumi Akamatsu;Ryosuke Tsuji;Olivier Hernandez;Haricharan Padmanabhan;Alexandra S. Gibbs;Ko Mibu;Shunsuke Murai;Venkatraman Gopalan;Katsuhisa Tanaka;and Koji Fujita
  • 通讯作者:
    and Koji Fujita
X線顕微鏡による未変態オーステナイトの3D/4D加工誘起変態挙動の評価
使用 X 射线显微镜评估未相变奥氏体的 3D/4D 加工诱导相变行为
  • DOI:
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    吉田傑;藤田晃司;赤松寛文;Olivier Hernandez;Arnab Sen Gupta;Alexandra Gibbs;久家俊洋;辻涼介;村井俊介;Venkatraman Gopalan;田中勝久;平山恭介,岡村海,泉田恭輔,戸田裕之,竹田健悟,林邦夫,竹内晃久,上杉健太朗
  • 通讯作者:
    平山恭介,岡村海,泉田恭輔,戸田裕之,竹田健悟,林邦夫,竹内晃久,上杉健太朗
層状ペロブスカイト強誘電体における強誘電転移温度と許容因子の線形関係
层状钙钛矿铁电体中铁电转变温度与耐受因子之间的线性关系
  • DOI:
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    第14回日本セラミック吉田傑;赤松寛文;辻涼介;Olivier Hernandez;Haricharan Padmanabhan;Alexandra S. Gibbs;壬生功;村井俊介;Venkatraman Gopalan;田中勝久;藤田晃司
  • 通讯作者:
    藤田晃司
無容器法により合成した希土類ボレートガラスの物性と構造
无容器法合成稀土硼酸盐玻璃的物理性能与结构
  • DOI:
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Hirofumi Akamatsu;Koji Fujita;Toshihiro Kuge;Arnab Sen Gupta;James M. Rondinelli;Isao Tanaka;Katsuhisa Tanaka;Venkatraman Gopalan;佐々木俊太,増野敦信,尾原幸治
  • 通讯作者:
    佐々木俊太,増野敦信,尾原幸治
層状ペロブスカイト酸化物NaYTiO4 エピタキシャル薄膜の合成
层状钙钛矿氧化物NaYTiO4外延薄膜的合成
  • DOI:
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    松原司;藤田晃司;村井俊介;田中勝久;赤松寛文;Venkatraman Gopalan
  • 通讯作者:
    Venkatraman Gopalan

Venkatraman Gopalan的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Venkatraman Gopalan', 18)}}的其他基金

Superior Nonlinear Optical Single Crystals and An Open-Source Modeling Package for Classical and Quantum Light Generation
卓越的非线性光学单晶和用于经典和量子光生成的开源建模包
  • 批准号:
    2210933
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Materials World Network: Gradient-Enabled Ferroic Phenomena: Tunable Metastable States, Roto-Flexo, and Transport Properties
材料世界网络:梯度启用的铁性现象:可调亚稳态、Roto-Flexo 和传输特性
  • 批准号:
    1210588
  • 财政年份:
    2012
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Materials World Network: New Insights into Ferroelectric Domain Walls: Extended Nanoscale Structure, Bloch-Like and Neel-Like Character, and Spatially Resolved Dynamics
材料世界网络:对铁电畴壁的新见解:扩展的纳米级结构、类布洛赫和类尼尔特征以及空间分辨动力学
  • 批准号:
    0908718
  • 财政年份:
    2009
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Nonlinear Optical Probing of Ferroic and Multiferroic Domain Dynamics
铁性和多铁性域动力学的非线性光学探测
  • 批准号:
    0512165
  • 财政年份:
    2005
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
CAREER: Real Time Studies of Domain Dynamics in Ferroelectrics for Photonic Applications
职业:光子应用铁电体域动力学的实时研究
  • 批准号:
    9984691
  • 财政年份:
    2000
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Domain Microengineered Ferroelectrics for Novel Chip-size Integrated Electro-optic Devices
用于新型芯片尺寸集成电光器件的微工程铁电体
  • 批准号:
    9988685
  • 财政年份:
    2000
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

Data-driven Recommendation System Construction of an Online Medical Platform Based on the Fusion of Information
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    外国青年学者研究基金项目
Exploring the Intrinsic Mechanisms of CEO Turnover and Market Reaction: An Explanation Based on Information Asymmetry
  • 批准号:
    W2433169
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    外国学者研究基金项目
基于tag-based单细胞转录组测序解析造血干细胞发育的可变剪接
  • 批准号:
    81900115
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    21.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
应用Agent-Based-Model研究围术期单剂量地塞米松对手术切口愈合的影响及机制
  • 批准号:
    81771933
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    50.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Reality-based Interaction用户界面模型和评估方法研究
  • 批准号:
    61170182
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    57.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Multistage,haplotype and functional tests-based FCAR 基因和IgA肾病相关关系研究
  • 批准号:
    30771013
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    30.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
差异蛋白质组技术结合Array-based CGH 寻找骨肉瘤分子标志物
  • 批准号:
    30470665
  • 批准年份:
    2004
  • 资助金额:
    8.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
GaN-based稀磁半导体材料与自旋电子共振隧穿器件的研究
  • 批准号:
    60376005
  • 批准年份:
    2003
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

CAREER: Data-Enabled Neural Multi-Step Predictive Control (DeMuSPc): a Learning-Based Predictive and Adaptive Control Approach for Complex Nonlinear Systems
职业:数据支持的神经多步预测控制(DeMuSPc):一种用于复杂非线性系统的基于学习的预测和自适应控制方法
  • 批准号:
    2338749
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Development of high-performance SmFe12-based sintered magnets using a unique combinatorial approach
使用独特的组合方法开发高性能 SmFe12 基烧结磁体
  • 批准号:
    23K26368
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Lignin-based coatings: A novel approach to turn challenges into opportunities for anti-corrosion and anti-wear applications
木质素涂料:一种将防腐和抗磨损应用挑战转化为机遇的新方法
  • 批准号:
    EP/Y022009/1
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Research Grant
A Holistic Approach to Improve Learning and Motivation in Introductory Programming with Automated Grading, Web-based Team Support, and Game Development
通过自动评分、基于网络的团队支持和游戏开发提高入门编程学习和动机的整体方法
  • 批准号:
    2345097
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research:CIF:Small:Fisher-Inspired Approach to Quickest Change Detection for Score-Based Models
合作研究:CIF:Small:Fisher 启发的基于评分模型的最快变化检测方法
  • 批准号:
    2334898
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research:CIF:Small:Fisher-Inspired Approach to Quickest Change Detection for Score-Based Models
合作研究:CIF:Small:Fisher 启发的基于评分模型的最快变化检测方法
  • 批准号:
    2334897
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
A Justice-based Approach to Climate-related Planned Relocation
与气候相关的计划搬迁的基于正义的方法
  • 批准号:
    DE240101152
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Discovery Early Career Researcher Award
An integrated typology-based approach to guide the future development of European historic buildings towards a clean energy transition
一种基于类型学的综合方法,指导欧洲历史建筑未来向清洁能源转型的发展
  • 批准号:
    10110887
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    EU-Funded
HSI Pilot Project: Applying a Research-Based Learning Approach to Enhance Biomanufacturing Skills
HSI 试点项目:应用基于研究的学习方法来提高生物制造技能
  • 批准号:
    2345033
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Studies on development of control strategy for Asian zoonotic schistosomiasis based on One Health approach
基于One Health方法的亚洲人畜共患血吸虫病控制策略制定研究
  • 批准号:
    23KK0125
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 41.99万
  • 项目类别:
    Fund for the Promotion of Joint International Research (International Collaborative Research)
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了