Metals are traditionally considered hard matter. However, it is well known that their atomic lattices may become dynamic and undergo reconfigurations even well below the melting temperature. The innate atomic dynamics of metals is directly related to their bulk and surface properties. Understanding their complex structural dynamics is, thus, important for many applications but is not easy. Here, we report deep-potential molecular dynamics simulations allowing to resolve at an atomic resolution the complex dynamics of various types of copper (Cu) surfaces, used as an example, near the Hüttig (1/3 of melting) temperature. The development of deep neural network potential trained on density functional theory calculations provides a dynamically accurate force field that we use to simulate large atomistic models of different Cu surface types. A combination of high-dimensional structural descriptors and unsupervized machine learning allows identifying and tracking all the atomic environments (AEs) emerging in the surfaces at finite temperatures. We can directly observe how AEs that are non-native in a specific (ideal) surface, but that are, instead, typical of other surface types, continuously emerge/disappear in that surface in relevant regimes in dynamic equilibrium with the native ones. Our analyses allow estimating the lifetime of all the AEs populating these Cu surfaces and to reconstruct their dynamic interconversions networks. This reveals the elusive identity of these metal surfaces, which preserve their identity only in part and in part transform into something else under relevant conditions. This also proposes a concept of “statistical identity” for metal surfaces, which is key to understanding their behaviors and properties.

1.
M.-C.
Desjonqueres
and
D.
Spanjaard
,
Concepts in Surface Physics
,
2nd ed.
(
Springer Science & Business Media
,
1996
), Vol. 30.
2.
M. S.
Spencer
,
Nature
323
,
685
(
1986
).
3.
C. S.
Jayanthi
,
E.
Tosatti
, and
L.
Pietronero
,
Phys. Rev. B
31
,
3456
(
1985
).
4.
M.
Bernasconi
and
E.
Tosatti
,
Surf. Sci. Rep.
17
,
363
(
1993
).
5.
A.
Trayanov
,
A. C.
Levi
, and
E.
Tosatti
,
Surf. Sci.
233
,
184
(
1990
).
6.
H.
Dürr
,
R.
Schneider
, and
T.
Fauster
,
Phys. Rev. B
43
,
12187
(
1991
).
7.
J.
Merikoski
,
H.
Häkkinen
,
M.
Manninen
,
J.
Timonen
, and
K.
Kaski
,
Int. J. Mod. Phys. B
8
,
3175
(
1994
).
8.
O.
Zeybek
,
Solid State Commun.
139
,
339
(
2006
).
9.
S.
Xie
,
S.-I.
Choi
,
X.
Xia
, and
Y.
Xia
,
Curr. Opin. Chem. Eng.
2
,
142
(
2013
).
10.
F.
Dattila
,
R.
Garcıá-Muelas
, and
N.
López
,
ACS Energy Lett.
5
,
3176
(
2020
).
11.
V.
Yamakov
,
D.
Wolf
,
S. R.
Phillpot
,
A. K.
Mukherjee
, and
H.
Gleiter
,
Nat. Mater.
3
,
43
(
2004
).
12.
L. A.
Zepeda-Ruiz
,
A.
Stukowski
,
T.
Oppelstrup
, and
V. V.
Bulatov
,
Nature
550
,
492
(
2017
).
13.
X.
Wang
,
S.
Zheng
,
S.
Shinzato
,
Z.
Fang
,
Y.
He
,
L.
Zhong
,
C.
Wang
,
S.
Ogata
, and
S. X.
Mao
,
Nat. Commun.
12
,
5237
(
2021
).
14.
J. K.
Nørskov
,
T.
Bligaard
,
J.
Rossmeisl
, and
C. H.
Christensen
,
Nat. Chem.
1
,
37
(
2009
).
15.
J. K.
Nørskov
,
F.
Abild-Pedersen
,
F.
Studt
, and
T.
Bligaard
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
937
(
2011
).
16.
F.
Calle-Vallejo
,
J.
Tymoczko
,
V.
Colic
,
Q. H.
Vu
,
M. D.
Pohl
,
K.
Morgenstern
,
D.
Loffreda
,
P.
Sautet
,
W.
Schuhmann
, and
A. S.
Bandarenka
,
Science
350
,
185
(
2015
).
17.
M.
Zhong
,
K.
Tran
,
Y.
Min
,
C.
Wang
,
Z.
Wang
,
C.-T.
Dinh
,
P.
De Luna
,
Z.
Yu
,
A. S.
Rasouli
,
P.
Brodersen
,
S.
Sun
,
O.
Voznyy
,
C.-S.
Tan
,
M.
Askerka
,
F.
Che
,
M.
Liu
,
A.
Seifitokaldani
,
Y.
Pang
,
S.-C.
Lo
,
A.
Ip
,
Z.
Ulissi
, and
E. H.
Sargent
,
Nature
581
,
178
(
2020
).
18.
B. W. J.
Chen
,
L.
Xu
, and
M.
Mavrikakis
,
Chem. Rev.
121
,
1007
(
2021
).
19.
E.
Gazzarrini
,
K.
Rossi
, and
F.
Baletto
,
Nanoscale
13
,
5857
(
2021
).
20.
D.
Nelli
,
F.
Pietrucci
, and
R.
Ferrando
,
J. Chem. Phys.
155
,
144304
(
2021
).
21.
M.
Crippa
,
C.
Perego
,
A. L.
de Marco
, and
G. M.
Pavan
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
2162
(
2022
).
22.
P.
Gasparotto
,
D.
Bochicchio
,
M.
Ceriotti
, and
G. M.
Pavan
,
J. Phys. Chem. B
124
,
589
(
2019
).
23.
A.
Gardin
,
C.
Perego
,
G.
Doni
, and
G. M.
Pavan
,
Commun. Chem.
5
(
1
),
82
(
2022
).
24.
D.
Bochicchio
,
M.
Salvalaglio
, and
G. M.
Pavan
,
Nat. Commun.
8
(
1
),
147
(
2017
).
25.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
26.
A. P.
Bartók
,
M. C.
Payne
,
R.
Kondor
, and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
136403
(
2010
).
27.
S.
Doerr
,
M.
Majewski
,
A.
Pérez
,
A.
Krämer
,
C.
Clementi
,
F.
Noe
,
T.
Giorgino
, and
G.
De Fabritiis
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
2355
(
2021
).
28.
K. T.
Schütt
,
H. E.
Sauceda
,
P.-J.
Kindermans
,
A.
Tkatchenko
, and
K.-R.
Müller
,
J. Chem. Phys.
148
,
241722
(
2018
).
29.
O. T.
Unke
and
M.
Meuwly
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
3678
(
2019
).
30.
Z.
Li
,
J. R.
Kermode
, and
A.
De Vita
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
096405
(
2015
).
31.
H.
Wang
,
L.
Zhang
,
J.
Han
, and
W.
E
,
Comput. Phys. Commun.
228
,
178
(
2018
).
32.
G. P. P.
Pun
,
R.
Batra
,
R.
Ramprasad
, and
Y.
Mishin
,
Nat. Commun.
10
,
2339
(
2019
).
33.
Y.
Zuo
,
C.
Chen
,
X.
Li
,
Z.
Deng
,
Y.
Chen
,
J.
Behler
,
G.
Csányi
,
A. V.
Shapeev
,
A. P.
Thompson
,
M. A.
Wood
, and
S. P.
Ong
,
J. Phys. Chem. A
124
,
731
(
2020
).
34.
O. T.
Unke
,
S.
Chmiela
,
H. E.
Sauceda
,
M.
Gastegger
,
I.
Poltavsky
,
K. T.
Schütt
,
A.
Tkatchenko
, and
K.-R.
Müller
,
Chem. Rev.
121
,
10142
(
2021
).
35.
A. P.
Bartók
,
R.
Kondor
, and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. B
87
,
184115
(
2013
).
36.
S.
De
,
A. P.
Bartók
,
G.
Csányi
, and
M.
Ceriotti
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
13754
(
2016
).
37.
R.
Capelli
,
F.
Muniz-Miranda
, and
G. M.
Pavan
,
J. Chem. Phys.
156
,
214503
(
2022
).
38.
T.
Bian
,
A.
Gardin
,
J.
Gemen
,
L.
Houben
,
C.
Perego
,
B.
Lee
,
N.
Elad
,
Z.
Chu
,
G. M.
Pavan
, and
R.
Klajn
,
Nat. Chem.
13
,
940
(
2021
).
39.
R.
Capelli
,
A.
Gardin
,
C.
Empereur-Mot
,
G.
Doni
, and
G. M.
Pavan
,
J. Phys. Chem. B
125
,
7785
(
2021
).
40.
C.
Zeni
,
K.
Rossi
,
T.
Pavloudis
,
J.
Kioseoglou
,
S.
de Gironcoli
,
R. E.
Palmer
, and
F.
Baletto
,
Nat. Commun.
12
(
1
),
6056
(
2021
).
41.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
42.
S.
Nitopi
,
E.
Bertheussen
,
S. B.
Scott
,
X.
Liu
,
A. K.
Engstfeld
,
S.
Horch
,
B.
Seger
,
I. E.
Stephens
,
K.
Chan
,
C.
Hahn
et al,
Chem. Rev.
119
,
7610
(
2019
).
43.
K.
Manthiram
,
B. J.
Beberwyck
, and
A. P.
Alivisatos
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
13319
(
2014
).
44.
A. J.
Hickman
and
M. S.
Sanford
,
Nature
484
,
177
(
2012
).
45.
S.
Magdassi
,
M.
Grouchko
, and
A.
Kamyshny
,
Materials
3
,
4626
(
2010
).
46.
L.
Lu
,
Y.
Shen
,
X.
Chen
,
L.
Qian
, and
K.
Lu
,
Science
304
,
422
(
2004
).
47.
M.
Behrens
,
F.
Studt
,
I.
Kasatkin
,
S.
Kühl
,
M.
Hävecker
,
F.
Abild-Pedersen
,
S.
Zander
,
F.
Girgsdies
,
P.
Kurr
,
B.-L.
Kniep
et al,
Science
336
,
893
(
2012
).
48.
M. D.
Higham
,
M. G.
Quesne
, and
C. R. A.
Catlow
,
Dalton Trans.
49
,
8478
(
2020
).
49.
R. P.
Gupta
,
Phys. Rev. B
23
,
6265
(
1981
).
50.
S. M.
Foiles
,
M. I.
Baskes
, and
M. S.
Daw
,
Phys. Rev. B
33
,
7983
(
1986
).
51.
V.
Rosato
,
M.
Guillope
, and
B.
Legrand
,
Philos. Mag. A
59
,
321
(
1989
).
52.
M. I.
Baskes
,
Phys. Rev. B
46
,
2727
(
1992
).
53.
B.-J.
Lee
,
J.-H.
Shim
, and
M. I.
Baskes
,
Phys. Rev. B
68
,
144112
(
2003
).
54.
M. I.
Mendelev
,
M. J.
Kramer
,
C. A.
Becker
, and
M.
Asta
,
Philos. Mag.
88
,
1723
(
2008
).
55.
L.
Zhang
,
J.
Han
,
H.
Wang
,
R.
Car
, and
W.
E
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
143001
(
2018
).
56.
V. L.
Deringer
and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. B
95
,
094203
(
2017
).
57.
Y.
Zhang
,
H.
Wang
,
W.
Chen
,
J.
Zeng
,
L.
Zhang
,
H.
Wang
, and
W.
E
,
Comput. Phys. Commun.
253
,
107206
(
2020
).
58.
C.
Kittel
and
P.
McEuen
,
Introduction to Solid State Physics
(
John Wiley & Sons
,
2018
).
59.
E. A.
Brandes
and
G.
Brook
,
Smithells Metals Reference Book
(
Elsevier
,
2013
).
60.
W. R.
Tyson
and
W. A.
Miller
,
Surf. Sci.
62
,
267
(
1977
).
61.
J.
Merikoski
,
I.
Vattulainen
,
J.
Heinonen
, and
T.
Ala-Nissila
,
Surf. Sci.
387
,
167
(
1997
).
62.
J.
Merikoski
and
T.
Ala-Nissila
,
Phys. Rev. B
52
,
R8715
(
1995
).
63.
L. S.
Perkins
and
A. E.
DePristo
,
Surf. Sci.
294
,
67
(
1993
).
64.
G.
Boisvert
and
L. J.
Lewis
,
Phys. Rev. B
56
,
7643
(
1997
).
65.
C. L.
Liu
,
J. M.
Cohen
,
J. B.
Adams
, and
A. F.
Voter
,
Surf. Sci.
253
,
334
(
1991
).
66.
B. D.
Yu
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
56
,
R15569(R)
(
1997
).
67.
H.
Dürr
,
J. F.
Wendelken
, and
J.-K.
Zuo
,
Surf. Sci.
328
,
L527
(
1995
).
68.
H.-J.
Ernst
,
F.
Fabre
, and
J.
Lapujoulade
,
Phys. Rev. B
46
,
1929
(
1992
).
69.
L.
Hansen
,
P.
Stoltze
,
K. W.
Jacobsen
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
44
,
6523
(
1991
).
70.
F.
Montalenti
and
R.
Ferrando
,
Phys. Rev. B
59
,
5881
(
1999
).
71.
K. H.
Chae
,
H. C.
Lu
, and
T.
Gustafsson
,
Phys. Rev. B
54
,
14082
(
1996
).
72.
A. N.
Al-Rawi
,
A.
Kara
, and
T. S.
Rahman
,
Phys. Rev. B
66
,
165439
(
2002
).
73.
L.
Yang
and
T. S.
Rahman
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
2327
(
1991
).
74.
A.
Trayanov
,
A. C.
Levi
, and
E.
Tosatti
,
Europhys. Lett.
8
,
657
(
1989
).
75.
F.
Studt
,
M.
Behrens
,
E. L.
Kunkes
,
N.
Thomas
,
S.
Zander
,
A.
Tarasov
,
J.
Schumann
,
E.
Frei
,
J. B.
Varley
,
F.
Abild-Pedersen
,
J. K.
Nørskov
, and
R.
Schlögl
,
ChemCatChem
7
,
1105
(
2015
).
76.
G.
Witte
,
J.
Braun
,
D.
Nowack
,
L.
Bartels
,
B.
Neu
, and
G.
Meyer
,
Phys. Rev. B
58
,
13224
(
1998
).
77.
R. E.
Kirby
,
C. S.
McKee
, and
L. V.
Renny
,
Surf. Sci.
97
,
457
(
1980
).
78.
R. J.
Campello
,
D.
Moulavi
, and
J.
Sander
, in
Advances in Knowledge Discovery and Data Mining
, edited by J. Pei, V. S. Tseng, L. Cao, H. Motoda, and G. Xu (
Springer Berlin Heidelberg
,
2013
) pp.
160–172
.
79.
R. J. G. B.
Campello
,
D.
Moulavi
,
A.
Zimek
, and
J.
Sander
,
ACM Trans. Knowl. Discovery Data
10
,
1
(
2015
).
80.
D. M.
Zuckerman
,
Statistical Physics of Biomolecules: An Introduction
(
CRC Press
,
2010
).
81.
D. E.
Makarov
,
Single Molecule Science: Physical Principles and Models
(
CRC Press
,
2015
).
82.
P. B.
Gupta
,
C. M.
Fillmore
,
G.
Jiang
,
S. D.
Shapira
,
K.
Tao
,
C.
Kuperwasser
, and
E. S.
Lander
,
Cell
146
,
633
(
2011
).
83.
Z.
Jian-Min
,
M.
Fei
, and
X.
Ke-Wei
,
Chin. Phys.
13
,
1082
(
2004
).
84.
J.
Wang
and
S.-Q.
Wang
,
Surf. Sci.
630
,
216
(
2014
).
85.
S.
Titmuss
,
A.
Wander
, and
D. A.
King
,
Chem. Rev.
96
,
1291
(
1996
).
86.
R.
Koch
,
M.
Borbonus
,
O.
Haase
, and
K. H.
Rieder
,
Appl. Phys. A
55
,
417
(
1992
).
87.
R.
Koch
,
M.
Sturmat
, and
J. J.
Schulz
,
Surf. Sci.
454–456
,
543
(
2000
).
88.
P.
Grosse
,
D.
Gao
,
F.
Scholten
,
I.
Sinev
,
H.
Mistry
, and
B.
Roldan Cuenya
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
6192
(
2018
).
89.
Y.
Li
,
D.
Kim
,
S.
Louisia
,
C.
Xie
,
Q.
Kong
,
S.
Yu
,
T.
Lin
,
S.
Aloni
,
S. C.
Fakra
, and
P.
Yang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
117
,
9194
(
2020
).
90.
G.-C.
Wang
,
L.
Jiang
,
Y.
Morikawa
,
J.
Nakamura
,
Z.-S.
Cai
,
Y.-M.
Pan
, and
X.-Z.
Zhao
,
Surf. Sci.
570
,
205
(
2004
).
91.
L.
Delgado-Callico
,
K.
Rossi
,
R.
Pinto-Miles
,
P.
Salzbrenner
, and
F.
Baletto
,
Nanoscale
13
,
1172
(
2021
).
92.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
et al,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
93.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
94.
C. M.
Andolina
,
M.
Bon
,
D.
Passerone
, and
W. A.
Saidi
,
J. Phys. Chem. C
125
,
17438
(
2021
).
95.
A. M.
Rappe
,
K. M.
Rabe
,
E.
Kaxiras
, and
J. D.
Joannopoulos
,
Phys. Rev. B
41
,
1227
(
1990
).
96.
N.
Marzari
,
D.
Vanderbilt
,
A. D.
Vita
, and
M. C.
Payne
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3296
(
1999
).
97.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
98.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
014101
(
2007
).
99.
D. P.
Kingma
and
J.
Ba
, arXiv:1412.6980 (
2014
).
100.
F.
Cyrot-Lackmann
and
F.
Ducastelle
,
Phys. Rev. B
4
,
2406
(
1971
).
101.
A. P.
Thompson
,
H. M.
Aktulga
,
R.
Berger
,
D. S.
Bolintineanu
,
W. M.
Brown
,
P. S.
Crozier
,
P. J.
in ’t Veld
,
A.
Kohlmeyer
,
S. G.
Moore
,
T. D.
Nguyen
,
R.
Shan
,
M. J.
Stevens
,
J.
Tranchida
,
C.
Trott
, and
S. J.
Plimpton
,
Comput. Phys. Commun.
271
,
108171
(
2022
).
102.
A.
Stukowski
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
015012
(
2009
).
103.
L.
Himanen
,
M. O. J.
Jäger
,
E. V.
Morooka
,
F. F.
Canova
,
Y. S.
Ranawat
,
D. Z.
Gao
,
P.
Rinke
, and
A. S.
Foster
,
Comput. Phys. Commun.
247
,
106949
(
2020
).
104.
F.
Pedregosa
,
G.
Varoquaux
,
A.
Gramfort
,
V.
Michel
,
B.
Thirion
,
O.
Grisel
,
M.
Blondel
,
P.
Prettenhofer
,
R.
Weiss
,
V.
Dubourg
,
J.
Vanderplas
,
A.
Passos
,
D.
Cournapeau
,
M.
Brucher
,
M.
Perrot
, and
E.
Duchesnay
,
J. Mach. Learn. Res.
12
,
2825
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.