Constructing efficient descriptors for representing atomic configurations is crucial for developing superior machine-learning potentials. The widely used conventional descriptors are local and constructed based on the two- and three-body correlations of atomic distribution around a specific atom. This atom-centered approach is convenient for constructing a machine-learning potential with scalability and invariance under symmetry operations. However, these descriptors show several limitations with respect to the classification of different configurations, which have a detrimental effect on the predictions of physical properties. Here, we show that the persistent diagram, that is, the two-dimensional representation of persistent homology, can be used as a descriptor. First, using the clustering of cyclo-octane conformations as an example, we show that the persistent diagram captures both the local geometrical and global topological characteristics of the atomic configuration. Next, we demonstrate that convolutional neural network models based on the persistent diagram can accurately predict the mean energies per atom of amorphous graphene and amorphous carbon. Moreover, the models can predict the energies for systems larger than those used in the training process, meaning that they are scalable with respect to the system size. Our results provide an effective strategy for improving the machine-learning potential using descriptors that depict both geometrical and topological information.


翻译:代表原子配置的构建高效描述器对于开发高级机器学习潜力至关重要。 广泛使用的常规描述器是本地的, 建基于特定原子周围原子分布的二体和三体相关关系。 这种原子中心化方法便于在对称操作中构建一个具有可缩放性和差异性的机器学习潜力。 然而, 这些描述器显示不同配置的分类存在一些局限性, 这会对物理特性的预测产生有害影响 。 这里, 我们显示, 持久性图表, 即持久性同质学的二维表示器, 可以用作一个描述器。 首先, 使用环球- ocane 匹配组合作为示例, 我们显示, 持久性图表既能捕捉到原子配置的本地几何和全球性地貌特征。 下一步, 我们显示, 以持续图表为基础的革命神经网络模型可以准确预测成形的原子和变形碳的人均平均能量。 此外, 模型可以预测比所用战略中的系统大得多的系统的能力,, 能够提供我们所应用的系统上层学习结果的精确度, 。

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