具有四阶作用量的路径积分分子动力学：在超低温下对仲氢和液态4He的应用

《The Journal of Physical Chemistry A》：Path Integral Molecular Dynamics with Fourth-Order Actions: Application to Para-Hydrogen and Liquid 4He at Ultralow Temperatures

高阶PIMD方法结合投影哈森矩阵和MTS加速技术，显著提升低温体系（如25K氘气和5.1K液4He）的计算效率，Trotter数最优比例达1:26.7，速度提升10倍且精度损失可忽略。

　　

路径积分分子动力学（PIMD）是一种强大的方法，用于模拟量子系统的热力学性质，尤其是那些在凝聚相中表现出强核量子效应（NQEs）的系统。然而，其应用于超低温系统的能力受到收敛所需的Trotter数（P）迅速增加的阻碍。为了克服这一限制，我们对基于Takahashi和Imada（TIA）、Suzuki和Chin（SCA）以及Chin（CA）作用的原始方法（PA）和三种更高阶方法进行了全面的性能评估。这些方法通过引入投影Hessian和多时间步进（MTS）加速技术得到了进一步的改进。以25 K下的顺氢气和5.1 K下的液态⁴He作为基准系统，我们证明了更高阶方法显著改善了收敛行为和计算效率。对于顺氢气，最优的Trotter数（P）比为1.0 : 5.8 : 4.0 : 26.7；对于液态⁴He，这一比例为1.0 : 6.8 : 5.2 : 34.8，其中较大的数值表示更快的收敛速度。当与投影Hessian方法结合使用时，这些更高阶的PIMD方案相对于传统方法实现了高达10倍的加速，同时精度损失可以忽略不计。我们的研究结果表明，使用TIA、SCA和CA作用，并通过投影Hessian技术加速的更高阶PIMD模拟，为研究超低温下的凝聚相系统提供了一个高效且准确的框架。