Locating the minimum energy structure of molecules, typically referred to as geometry optimization, is one of the first steps of any computational chemistry calculation. Earlier research was mostly dedicated to finding convenient sets of molecule-specific coordinates for a suitable representation of the potential energy surface, where a faster convergence toward the minimum structure can be achieved. More recent approaches, on the other hand, are based on various machine learning techniques and seem to revert to Cartesian coordinates instead for practical reasons. We show that the combination of Gaussian process regression with those coordinate systems employed by state-of-the-art geometry optimizers can significantly improve the performance of this powerful machine learning technique. This is demonstrated on a benchmark set of 30 small covalently bonded molecules.

1.
P.
Pulay
,
G.
Fogarasi
,
F.
Pang
, and
J. E.
Boggs
,
J. Am. Chem. Soc.
101
,
2550
(
1979
).
2.
J. D.
Head
,
J. Comput. Chem.
11
,
67
(
1990
).
3.
P.
Pulay
and
G.
Fogarasi
,
J. Chem. Phys.
96
,
2856
(
1992
).
4.
G.
Fogarasi
,
X.
Zhou
,
P. W.
Taylor
, and
P.
Pulay
,
J. Am. Chem. Soc.
114
,
8191
(
1992
).
5.
J.
Baker
,
J. Comput. Chem.
14
,
1085
(
1993
).
6.
J.
Baker
,
A.
Kessi
, and
B.
Delley
,
J. Chem. Phys.
105
,
192
(
1996
).
8.
S. R.
Billeter
,
A. J.
Turner
, and
W.
Thiel
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
2
,
2177
(
2000
).
9.
B.
Paizs
,
J.
Baker
,
S.
Suhai
, and
P.
Pulay
,
J. Chem. Phys.
113
,
6566
(
2000
).
10.
J.
Andzelm
,
R.
King-Smith
, and
G.
Fitzgerald
,
Chem. Phys. Lett.
335
,
321
(
2001
).
11.
J. U.
Reveles
and
A. M.
Köster
,
J. Comput. Chem.
25
,
1109
(
2004
).
12.
K.
Németh
,
M.
Challacombe
, and
M.
Van Veenendaal
,
J. Comput. Chem.
31
,
2078
(
2010
).
13.
L.-P.
Wang
and
C.
Song
,
J. Chem. Phys.
144
,
214108
(
2016
).
14.
H. B.
Schlegel
,
Theor. Chim. Acta
66
,
333
(
1984
).
15.
J. D.
Head
and
M. C.
Zerner
,
Chem. Phys. Lett.
131
,
359
(
1986
).
16.
T. H.
Fischer
and
J.
Almlof
,
J. Phys. Chem.
96
,
9768
(
1992
).
17.
R.
Lindh
,
A.
Bernhardsson
,
G.
Karlström
, and
P.-Å.
Malmqvist
,
Chem. Phys. Lett.
241
,
423
(
1995
).
18.
J.
Baker
and
P.
Pulay
,
J. Chem. Phys.
105
,
11100
(
1996
).
20.
M.
von Arnim
and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
111
,
9183
(
1999
).
21.
M.
Swart
and
F.
Matthias Bickelhaupt
,
Int. J. Quantum Chem.
106
,
2536
(
2006
).
22.
P.
Császár
and
P.
Pulay
,
J. Mol. Struct.
114
,
31
(
1984
).
23.
K.
Németh
and
M.
Challacombe
,
J. Chem. Phys.
121
,
2877
(
2004
).
24.
E.
Bitzek
,
P.
Koskinen
,
F.
Gähler
,
M.
Moseler
, and
P.
Gumbsch
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
170201
(
2006
).
25.
D.
Sheppard
,
R.
Terrell
, and
G.
Henkelman
,
J. Chem. Phys.
128
,
134106
(
2008
).
26.
H.
Jónsson
,
G.
Mills
, and
K. W.
Jacobsen
, “
Nudged elastic band method for finding minimum energy paths of transitions
,” in
Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations
, edited by
B. J.
Berne
,
G.
Ciccotti
, and
D. F.
Coker
(
World Scientific
,
Singapore
,
1998
), pp.
385
404
.
27.
A.
Denzel
and
J.
Kästner
,
J. Chem. Phys.
148
,
094114
(
2018
).
28.
E.
Garijo del Río
,
J. J.
Mortensen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
100
,
104103
(
2019
).
29.
Z. D.
Pozun
,
K.
Hansen
,
D.
Sheppard
,
M.
Rupp
,
K.-R.
Müller
, and
G.
Henkelman
,
J. Chem. Phys.
136
,
174101
(
2012
).
30.
A. A.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
145
,
074106
(
2016
).
31.
O.-P.
Koistinen
,
F. B.
Dagbjartsdóttir
,
V.
Ásgeirsson
,
A.
Vehtari
, and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
147
,
152720
(
2017
).
32.
A.
Denzel
and
J.
Kästner
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5777
(
2018
).
33.
A.
Denzel
,
B.
Haasdonk
, and
J.
Kästner
,
J. Phys. Chem. A
123
,
9600
(
2019
).
34.
R.
Meyer
,
K. S.
Schmuck
, and
A. W.
Hauser
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
6513
(
2019
).
35.
O.-P.
Koistinen
,
V.
Ásgeirsson
,
A.
Vehtari
, and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
6738
(
2019
).
36.
G.
Laude
,
D.
Calderini
,
D. P.
Tew
, and
J. O.
Richardson
,
Faraday Discuss.
212
,
237
(
2018
).
37.
A. M.
Cooper
,
P. P.
Hallmen
, and
J.
Kästner
,
J. Chem. Phys.
148
,
094106
(
2018
).
38.
S. R.
McConnell
and
J.
Kästner
,
J. Comput. Chem.
40
,
866
(
2019
).
39.
A. H.
Larsen
,
J. J.
Mortensen
,
J.
Blomqvist
,
I. E.
Castelli
,
R.
Christensen
,
M.
Dułak
,
J.
Friis
,
M. N.
Groves
,
B.
Hammer
,
C.
Hargus
,
E. D.
Hermes
,
P. C.
Jennings
,
P. B.
Jensen
,
J.
Kermode
,
J. R.
Kitchin
,
E. L.
Kolsbjerg
,
J.
Kubal
,
K.
Kaasbjerg
,
S.
Lysgaard
,
J. B.
Maronsson
,
T.
Maxson
,
T.
Olsen
,
L.
Pastewka
,
A.
Peterson
,
C.
Rostgaard
,
J.
Schiøtz
,
O.
Schütt
,
M.
Strange
,
K. S.
Thygesen
,
T.
Vegge
,
L.
Vilhelmsen
,
M.
Walter
,
Z.
Zeng
, and
K. W.
Jacobsen
,
J. Phys.: Condens. Matter
29
,
273002
(
2017
).
40.
43.
R.
Fletcher
,
Practical Methods of Optimization
, 2nd ed. (
Wiley-Interscience
,
New York, NY, USA
,
1987
).
44.
C. G.
Broyden
,
IMA J. Appl. Math.
6
,
76
(
1970
).
45.
C. E.
Rasmussen
and
C. K. I.
Williams
,
Gaussian Processes for Machine Learning
, Adaptive Computation and Machine Learning (
The MIT Press
,
2005
).
46.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
47.
A. P.
Bartók
,
M. C.
Payne
,
R.
Kondor
, and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
136403
(
2010
).
48.
B.
Matérn
,
Spatial Variation
, 2nd ed., Lecture Notes in Statistics Vol. 36 (
Springer
,
New York
,
1986
).
49.
B.
Minasny
and
A. B.
McBratney
,
Geoderma
128
,
192
(
2005
).
50.
D. J. C.
MacKay
,
Information Theory, Inference and Learning Algorithms
(
Cambridge University Press
,
New York, NY, USA
,
2002
).
51.
R.
Byrd
,
P.
Lu
,
J.
Nocedal
, and
C.
Zhu
,
SIAM J. Sci. Comput.
16
,
1190
(
1995
).
52.
C.
Zhu
,
R. H.
Byrd
,
P.
Lu
, and
J.
Nocedal
,
ACM Trans. Math. Software
23
,
550
(
1997
).
53.
P.
Virtanen
,
R.
Gommers
,
T. E.
Oliphant
 et al, “
SciPy 1.0: Fundamental algorithms for scientific computing in Python
,”
Nat. Methods
(
2020
).
54.
S.
Califano
,
Vibrational States
(
Wiley
,
London
,
1976
).
55.
A.
Baiardi
,
J.
Bloino
, and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
144
,
084114
(
2016
).
56.
M.
Rupp
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
058301
(
2012
).
57.
K.
Hansen
,
F.
Biegler
,
R.
Ramakrishnan
,
W.
Pronobis
,
O. A.
von Lilienfeld
,
K.-R.
Müller
, and
A.
Tkatchenko
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
2326
(
2015
).
58.
E. B.
Wilson
, Jr.
,
Molecular Vibrations: The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra
, Dover Books on Chemistry (
Dover Publications
,
1980
).
59.
C.
Peng
,
P. Y.
Ayala
,
H. B.
Schlegel
, and
M. J.
Frisch
,
J. Comput. Chem.
17
,
49
(
1996
).
60.
F.
Eckert
,
P.
Pulay
, and
H.-J.
Werner
,
J. Comput. Chem.
18
,
1473
(
1997
).
62.
R.
Lindh
,
A.
Bernhardsson
, and
M.
Schütz
,
Chem. Phys. Lett.
303
,
567
(
1999
).
63.
O.
Farkas
and
H. B.
Schlegel
,
J. Chem. Phys.
111
,
10806
(
1999
).
64.
V.
Bakken
and
T.
Helgaker
,
J. Chem. Phys.
117
,
9160
(
2002
).
65.
W. J.
Hehre
,
R. F.
Stewart
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
51
,
2657
(
1969
).
66.
W. J.
Hehre
,
R.
Ditchfield
,
R. F.
Stewart
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
52
,
2769
(
1970
).
67.
Y.
Shao
,
Z.
Gan
,
E.
Epifanovsky
,
A. T. B.
Gilbert
,
M.
Wormit
,
J.
Kussmann
,
A. W.
Lange
,
A.
Behn
,
J.
Deng
,
X.
Feng
,
D.
Ghosh
,
M.
Goldey
,
P. R.
Horn
,
L. D.
Jacobson
,
I.
Kaliman
,
R. Z.
Khaliullin
,
T.
Kús
,
A.
Landau
,
J.
Liu
,
E. I.
Proynov
,
Y. M.
Rhee
,
R. M.
Richard
,
M. A.
Rohrdanz
,
R. P.
Steele
,
E. J.
Sundstrom
,
H. L.
Woodcock
 III
,
P. M.
Zimmerman
,
D.
Zuev
,
B.
Albrecht
,
E.
Alguire
,
B.
Austin
,
G. J. O.
Beran
,
Y. A.
Bernard
,
E.
Berquist
,
K.
Brandhorst
,
K. B.
Bravaya
,
S. T.
Brown
,
D.
Casanova
,
C.-M.
Chang
,
Y.
Chen
,
S. H.
Chien
,
K. D.
Closser
,
D. L.
Crittenden
,
M.
Diedenhofen
,
R. A.
DiStasio
, Jr.
,
H.
Dop
,
A. D.
Dutoi
,
R. G.
Edgar
,
S.
Fatehi
,
L.
Fusti-Molnar
,
A.
Ghysels
,
A.
Golubeva-Zadorozhnaya
,
J.
Gomes
,
M. W. D.
Hanson-Heine
,
P. H. P.
Harbach
,
A. W.
Hauser
,
E. G.
Hohenstein
,
Z. C.
Holden
,
T.-C.
Jagau
,
H.
Ji
,
B.
Kaduk
,
K.
Khistyaev
,
J.
Kim
,
J.
Kim
,
R. A.
King
,
P.
Klunzinger
,
D.
Kosenkov
,
T.
Kowalczyk
,
C. M.
Krauter
,
K. U.
Lao
,
A.
Laurent
,
K. V.
Lawler
,
S. V.
Levchenko
,
C. Y.
Lin
,
F.
Liu
,
E.
Livshits
,
R. C.
Lochan
,
A.
Luenser
,
P.
Manohar
,
S. F.
Manzer
,
S.-P.
Mao
,
N.
Mardirossian
,
A. V.
Marenich
,
S. A.
Maurer
,
N. J.
Mayhall
,
C. M.
Oana
,
R.
Olivares-Amaya
,
D. P.
O’Neill
,
J. A.
Parkhill
,
T. M.
Perrine
,
R.
Peverati
,
P. A.
Pieniazek
,
A.
Prociuk
,
D. R.
Rehn
,
E.
Rosta
,
N. J.
Russ
,
N.
Sergueev
,
S. M.
Sharada
,
S.
Sharmaa
,
D. W.
Small
,
A.
Sodt
,
T.
Stein
,
D.
Stück
,
Y.-C.
Su
,
A. J. W.
Thom
,
T.
Tsuchimochi
,
L.
Vogt
,
O.
Vydrov
,
T.
Wang
,
M. A.
Watson
,
J.
Wenzel
,
A.
White
,
C. F.
Williams
,
V.
Vanovschi
,
S.
Yeganeh
,
S. R.
Yost
,
Z.-Q.
You
,
I. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
B. R.
Brooks
,
G. K. L.
Chan
,
D. M.
Chipman
,
C. J.
Cramer
,
W. A.
Goddard
 III
,
M. S.
Gordon
,
W. J.
Hehre
,
A.
Klamt
,
H. F.
Schaefer
 III
,
M. W.
Schmidt
,
C. D.
Sherrill
,
D. G.
Truhlar
,
A.
Warshel
,
X.
Xua
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Baer
,
A. T.
Bell
,
N. A.
Besley
,
J.-D.
Chai
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
C.-P.
Hsu
,
Y.
Jung
,
J.
Kong
,
D. S.
Lambrecht
,
W.
Liang
,
C.
Ochsenfeld
,
V. A.
Rassolov
,
L. V.
Slipchenko
,
J. E.
Subotnik
,
T.
Van Voorhis
,
J. M.
Herbert
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Mol. Phys.
113
,
184
(
2015
).
68.
D.
Packwood
,
J.
Kermode
,
L.
Mones
,
N.
Bernstein
,
J.
Woolley
,
N.
Gould
,
C.
Ortner
, and
G.
Csányi
,
J. Chem. Phys.
144
,
164109
(
2016
).
69.
L.
Mones
,
C.
Ortner
, and
G.
Csányi
,
Sci. Rep.
8
,
13991
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.