66-я Всероссийская научная конференция МФТИ

Влияние потенциала взаимодействия на сходимость энергии и давления по числу частиц в однокомпонентной плазме

5 Apr 2024, 14:15

15m

Конференц-зал

Секция физики высокотемпературных процессов

Speakers

Георгий Сергеевич Демьянов (МФТИ (Физтех)) Александр Сергеевич Онегин (МФТИ (Физтех)) П.Р. Левашов (ОИВТ РАН)

Description

Сходимость результатов атомистического моделирования классических и вырожденных кулоновских систем по числу частиц (или эффекты конечных размеров) остается главной проблемой для получения корректных термодинамических функций в пределе бесконечного числа частиц при фиксированной плотности (т. е. в термодинамическом пределе) [1]. Наибольшее влияние на скорость этой сходимости оказывает потенциал взаимодействия между заряженными частицами.
В данной работе анализируется влияние метода суммирования Эвальда на скорость сходимости термодинамических свойств однокомпонентной плазмы (ОКП) [2, 3] по числу частиц, в сравнении с усеченным кулоновским взаимодействием. Для этого производится моделирование методом Монте-Карло в кубической ячейке с периодичными граничными условиями.
В первом случае, в качестве потенциала взаимодействия используется потенциал Эвальда, а также усредненный по углам потенциал Эвальда (УУПЭ) [4]. Эти потенциалы, в отличие от кулоновского, имеют конечный радиус действия и учитывают дальнодействующие кулоновские эффекты. Во втором случае, взаимодействие между частицами описывается с помощью кулоновского потенциала, усеченного на некотором расстоянии. При этом, для расчета потенциала в некоторой точке ячейки рассматривается суммирование по сферической и кубической области [1]. В результате, в случае усеченного кулоновского потенциала взаимодействия частиц в основной ячейке со всеми периодическими образами не учитываются.
Результаты моделирования показывают, что в диапазоне слабой неидеальности методы дают сравнимую скорость сходимости по числу частиц, хотя и с небольшим преимуществом в случае кулоновского потенциала. Тем не менее, в диапазоне умеренной и сильной неидеальности включение эффектов дальнодействия с помощью техники Эвальда значительно повышает точность расчетов, особенно при малом числе частиц (около 100). Мы ожидаем увидеть аналогичные преимущества метода Эвальда по сравнению с обычным кулоновским потенциалом при моделировании невырожденной двухкомпонентной плазмы с помощью метода молекулярной динамики [5, 6].
Также с помощью данных работ [2, 4] была произведена коррекция уравнения состояния ОКП, представленного в статье [7].

---

1. Reible B. M. [et al.]. Finite-size effects and thermodynamic accuracy in many-particle systems // Physical Review Research. – 2023. – Т. 5. – №. 2. – С. 023156.
2. G. S. Demyanov, A. S. Onegin, P. R. Levashov. N-convergence in one–component plasma: Comparison of Coulomb, Ewald, and angular–averaged Ewald potentials // Contributions to Plasma Physics. – 2024. – C. e202300164
3. Onegin A. S., Demyanov G. S., Levashov P. R. Pressure of Coulomb systems with volume-dependent long-range potentials // arXiv preprint arXiv:2309.05427. – 2023.
4. Demyanov G. S., Levashov P. R. One-component plasma of a million particles via angular-averaged Ewald potential: A Monte Carlo study // Physical Review E. – 2022. – Т. 106. – №. 1. – С. 015204.
5. Demyanov G. S., Levashov P. R. Accounting for long–range interaction in the Kelbg pseudopotential // Contributions to Plasma Physics. – 2022. – Т. 62. – №. 10. – С. e202200100.
6. Demyanov G. S., Levashov P. R. Stability of a Nondegenerate Two--Component Weakly Coupled Plasma // arXiv preprint arXiv:2309.15208. – 2023.
7. Caillol J. M. Thermodynamic limit of the excess internal energy of the fluid phase of a one-component plasma: A Monte Carlo study // The Journal of Chemical Physics. – 1999. – Т. 111. – №. 14. – С. 6538-6547.