数据类型介绍¶

在 XequiNet 程序中，我们使用的数据点的类型叫做 XequiData，继承自 PyG 库的 torch_geometric.data.Data，可以参考官方文档

基本性质变量¶

一个 XequiData 数据点表示一个化学分子或周期性体系，包含以下基本的性质变量，（N 表示原子个数）

变量名	类型	形状	描述
`atomic_numbers`	`int`	`[N,]`	原子序数
`pos`	`float, double`	`[N,3]`	原子的笛卡尔坐标
`cell`	`float, double`	`[1,3,3]`	晶格矢量（可选）
`pbc`	`bool`	`[1,3]`	周期性边界条件（可选）
`charge`	`int`	`[1,]`	净电荷（可选）
`spin`	`int`	`[1,]`	总自旋（2S 或 M-1）（可选）

示例 1：水分子¶

我们以水分子作为分子的例子，如图所示：

Water

该水分子的 xyz 文件如下：

3

O         0.0000        0.0000       -0.1113
H         0.0000       -0.7830        0.4454
H         0.0000        0.7830        0.4454

那么代表这个水分子的数据点的各变量为：

>>> data.atomic_numbers
tensor([8, 1, 1])
>>> data.pos
tensor([[ 0.0000, -0.1113,  0.0000],
        [ 0.0000,  0.4454, -0.7830],
        [ 0.0000,  0.4454,  0.7830]])

示例 2：氯化钠晶体¶

周期性体系以 NaCl 晶体为例，如图所示：

NaCl

POSCAR 如下：

Na1 Cl1
0
502190 0.000000 0.000000
000000 3.502190 0.000000
000000 0.000000 3.502190
Na Cl
1
direct
000000 0.000000 0.000000 Na
500000 0.500000 0.500000 Cl

对应的各变量为：

>>> data.atomic_numbers
tensor([11, 17])
>>> data.pos
tensor([[ 0.0000, 0.0000, 0.0000],
        [ 1.7510, 1.7510, 1.7510]])
>>> data.cell
tensor([[[3.5022, 0.0000, 0.0000],
         [0.0000, 3.5022, 0.0000],
         [0.0000, 0.0000, 3.5022]]])
>>> data.pbc
tensor([[True, True, True]])

注意 pos 需换为笛卡尔坐标，计算方式为 cart_pos = frac_pos @ cell，（@ 表示矩阵乘法）

示例 3：水合氢离子¶

水合氢离子结构如图：

H3O+

水合氢离子带一个正电，所以净电荷值为 1：

>>> data.atomic_numbers
tensor([8, 1, 1, 1])
>>> data.pos
tensor([[ 0.0000,  0.0000,  0.0247]],
        [ 0.4521, -0.7830, -0.3396],
        [ 0.4521,  0.7830, -0.3396],
        [-0.9042,  0.0000, -0.3396]])
>>> data.charge
tensor([1])

标签性质变量¶

我们可以向 XequiData 添加标签性质变量用于训练，主要标签性质包含但不限于下表所示：

变量名	类型	形状	描述
`energy`	`float, double`	`[1,]`	体系的总能量
`forces`	`float, double`	`[N,3]`	原子核所收到的力，即能量对坐标的负梯度
`base_energy`	`float, double`	`[1,]`	用于 Δ-ML 的低等级的能量
`base_forces`	`float, double`	`[N,3]`	用于 Δ-ML 的低等级的力
`virial`	`float, double`	`[1,3,3]`	位力，即能量对应变的负梯度，也就是应力乘以晶胞体积（注意第一性原理软件计算结果的正负号）
`atomic_charges`	`float, double`	`[N,]`	原子电荷布居
`dipole`	`float, double`	`[1,3]`	偶极矩矢量
`polar`	`float, double`	`[1,3,3]`	极化率张量

在上述性质的基础上，也可以自定义其他性质。不过值得注意的是，对于分子级别的性质（如能量，偶极矩等）需要预留一个维度用于 Batch 操作。具体来说，分子的偶极矩的形状应是 [1, 3] 而非单纯的 [3,]。