Global optimization of atomistic structure relies on the generation of new candidate structures in order to drive the exploration of the potential energy surface (PES) in search of the global minimum energy structure. In this work, we discuss a type of structure generation, which locally optimizes structures in complementary energy (CE) landscapes. These landscapes are formulated temporarily during the searches as machine learned potentials (MLPs) using local atomistic environments sampled from collected data. The CE landscapes are deliberately incomplete MLPs that rather than mimicking every aspect of the true PES are sought to become much smoother, having only a few local minima. This means that local optimization in the CE landscapes may facilitate the identification of new funnels in the true PES. We discuss how to construct the CE landscapes and we test their influence on the global optimization of a reduced rutile SnO2(110)-(4  × 1) surface and an olivine (Mg2SiO4)4 cluster for which we report a new global minimum energy structure.

1.
C. J.
Pickard
and
R. J.
Needs
,
J. Phys.: Condens. Matter
23
,
053201
(
2011
).
2.
D. J.
Wales
and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys. Chem. A
101
,
5111
(
1997
).
3.
S.
Kirkpatrick
,
C. D.
Gelatt
, and
M. P.
Vecchi
,
Science
220
,
671
(
1983
).
4.
S.
Goedecker
,
J. Chem. Phys.
120
,
9911
(
2004
).
5.
Y.
Wang
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
, and
Y.
Ma
,
Phys. Rev. B
82
,
094116
(
2010
).
6.
R. L.
Johnston
,
Dalton Trans.
22
,
4193
(
2003
).
7.
D. M.
Deaven
and
K. M.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
288
(
1995
).
8.
S. Q.
Wu
,
M.
Ji
,
C. Z.
Wang
,
M. C.
Nguyen
,
X.
Zhao
,
K.
Umemoto
,
R. M.
Wentzcovitch
, and
K. M.
Ho
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
035402
(
2014
).
9.
A. R.
Oganov
and
C. W.
Glass
,
J. Chem. Phys.
124
,
244704
(
2006
).
10.
A.
Banerjee
,
D.
Jasrasaria
,
S. P.
Niblett
, and
D. J.
Wales
,
J. Phys. Chem. A
125
,
3776
(
2021
).
11.
F.
Curtis
,
X.
Li
,
T.
Rose
,
Á.
Vázquez-Mayagoitia
,
S.
Bhattacharya
,
L. M.
Ghiringhelli
, and
N.
Marom
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
2246
(
2018
).
12.
J. B. A.
Davis
,
A.
Shayeghi
,
S. L.
Horswell
, and
R. L.
Johnston
,
Nanoscale
7
,
14032
(
2015
).
13.
M. L.
Paleico
and
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
152
,
094109
(
2020
).
14.
L. B.
Vilhelmsen
and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
141
,
044711
(
2014
).
15.
M.
Jäger
,
R.
Schäfer
, and
R. L.
Johnston
,
Nanoscale
11
,
9042
(
2019
).
16.
C.
Penschke
,
J.
Paier
, and
J.
Sauer
,
J. Phys. Chem. C
122
,
9101
(
2018
).
17.
J.
Stausholm-Møller
,
H. H.
Kristoffersen
,
U.
Martinez
, and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
139
,
234704
(
2013
).
18.
H. A.
Zakaryan
,
A. G.
Kvashnin
, and
A. R.
Oganov
,
Sci. Rep.
7
,
10357
(
2017
).
19.
L. R.
Merte
,
M. S.
Jørgensen
,
K.
Pussi
,
J.
Gustafson
,
M.
Shipilin
,
A.
Schaefer
,
C.
Zhang
,
J.
Rawle
,
C.
Nicklin
,
G.
Thornton
,
R.
Lindsay
,
B.
Hammer
, and
E.
Lundgren
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
096102
(
2017
).
20.
P. C.
Jennings
,
S.
Lysgaard
,
J. S.
Hummelshøj
,
T.
Vegge
, and
T.
Bligaard
,
npj Comput. Mater.
5
,
46
(
2019
).
21.
R.
Ouyang
,
Y.
Xie
, and
D.-e.
Jiang
,
Nanoscale
7
,
14817
(
2015
).
22.
Q.
Tong
,
L.
Xue
,
J.
Lv
,
Y.
Wang
, and
Y.
Ma
,
Faraday Discuss.
211
,
31
(
2018
).
23.
S.
Kaappa
,
E. G.
del Río
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
103
,
174114
(
2021
).
24.
E. V.
Podryabinkin
,
E. V.
Tikhonov
,
A. V.
Shapeev
, and
A. R.
Oganov
,
Phys. Rev. B
99
,
064114
(
2019
).
25.
P.
Liu
,
J.
Wang
,
N.
Avargues
,
C.
Verdi
,
A.
Singraber
,
F.
Karsai
,
X.-Q.
Chen
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. Lett.
130
,
078001
(
2023
).
26.
M.
Todorović
,
M. U.
Gutmann
,
J.
Corander
, and
P.
Rinke
,
npj Comput. Mater.
5
,
35
(
2019
).
27.
E. L.
Kolsbjerg
,
A. A.
Peterson
, and
B.
Hammer
,
Phys. Rev. B
97
,
195424
(
2018
).
28.
H.
Jung
,
L.
Sauerland
,
S.
Stocker
,
K.
Reuter
, and
J. T.
Margraf
, Machine-learning driven global optimization of surface adsorbate geometries,
2022
.
29.
M.
Arrigoni
and
G. K. H.
Madsen
,
npj Comput. Mater.
7
,
71
(
2021
).
30.
L. R.
Merte
,
M. K.
Bisbo
,
I.
Sokolović
,
M.
Setvín
,
B.
Hagman
,
M.
Shipilin
,
M.
Schmid
,
U.
Diebold
,
E.
Lundgren
, and
B.
Hammer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
61
,
e202204244
(
2022
)..
31.
M.
Gastegger
,
J.
Behler
, and
P.
Marquetand
,
Chem. Sci.
8
,
6924
(
2017
).
32.
R.
Beckmann
,
F.
Brieuc
,
C.
Schran
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Theory Comput.
18
,
5492
(
2022
).
33.
C.
Zhang
,
F.
Tang
,
M.
Chen
,
J.
Xu
,
L.
Zhang
,
D. Y.
Qiu
,
J. P.
Perdew
,
M. L.
Klein
, and
X.
Wu
,
J. Phys. Chem. B
125
,
11444
(
2021
).
34.
J.
Timmermann
,
Y.
Lee
,
C. G.
Staacke
,
J. T.
Margraf
,
C.
Scheurer
, and
K.
Reuter
,
J. Chem. Phys.
155
,
244107
(
2021
).
35.
C. W.
Rosenbrock
,
K.
Gubaev
,
A. V.
Shapeev
,
L. B.
Pártay
,
N.
Bernstein
,
G.
Csányi
, and
G. L. W.
Hart
,
npj Comput. Mater.
7
,
24
(
2021
).
36.
R.
Jinnouchi
,
J.
Lahnsteiner
,
F.
Karsai
,
G.
Kresse
, and
M.
Bokdam
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
225701
(
2019
).
37.
L. C.
Erhard
,
J.
Rohrer
,
K.
Albe
, and
V. L.
Deringer
,
npj Comput. Mater.
8
,
90
(
2022
).
38.
S.
Chiriki
,
S.
Jindal
, and
S. S.
Bulusu
,
J. Chem. Phys.
146
,
084314
(
2017
).
39.
V. L.
Deringer
,
D. M.
Proserpio
,
G.
Csányi
, and
C. J.
Pickard
,
Faraday Discuss.
211
,
45
(
2018
).
40.
M. L.
Paleico
and
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
153
,
054704
(
2020
).
41.
C. J.
Pickard
,
Phys. Rev. B
99
,
054102
(
2019
).
42.
C.
Larsen
,
S.
Kaappa
,
A. L.
Vishart
,
T.
Bligaard
, and
K. W.
Jacobsen
, “
Machine-learning enabled optimization of atomic structures using atoms with fractional existence
,”
Phys. Rev. B
107
,
214101
(
2023
).
43.
S.
Kaappa
,
C.
Larsen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
166001
(
2021
).
44.
K. H.
Sørensen
,
M. S.
Jørgensen
,
A.
Bruix
, and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
148
,
241734
(
2018
).
45.
S.
Chiriki
,
M.-P. V.
Christiansen
, and
B.
Hammer
,
Phys. Rev. B
100
,
235436
(
2019
).
46.
H.
Huber
,
M.
Sommer
,
M.
Gubler
, and
S.
Goedecker
, “
Targeting high symmetry in structure predictions by biasing the potential energy surface
,”
Phys. Rev. Res.
5
,
013189
(
2023
).
47.
M. K.
Bisbo
and
B.
Hammer
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
086102
(
2020
).
48.
M. K.
Bisbo
and
B.
Hammer
,
Phys. Rev. B
105
,
245404
(
2022
).
49.
C. E.
Rasmussen
and
C. K. I.
Williams
,
Gaussian Processes for Machine Learning
(
The MIT Press
,
2005
).
50.
M.-P. V.
Christiansen
,
N.
Rønne
, and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
157
,
054701
(
2022
).
51.
M.
Rupp
,
A.
Tkatchenko
,
K.-R.
Müller
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
058301
(
2012
).
52.
A. M.
Miksch
,
T.
Morawietz
,
J.
Kästner
,
A.
Urban
, and
N.
Artrith
,
Mach. Learn.: Sci. Technol.
2
,
031001
(
2021
).
53.
G.
Henkelman
and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
113
,
9978
(
2000
).
54.
B.
Huang
and
O. A.
von Lilienfeld
,
J. Chem. Phys.
145
,
161102
(
2016
).
55.
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
134
,
074106
(
2011
).
56.
A. P.
Bartók
,
R.
Kondor
, and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. B
87
,
184115
(
2013
).
57.
L.
Himanen
,
M. O. J.
Jäger
,
E. V.
Morooka
,
F.
Federici Canova
,
Y. S.
Ranawat
,
D. Z.
Gao
,
P.
Rinke
, and
A. S.
Foster
,
Comput. Phys. Commun.
247
,
106949
(
2020
).
58.
A.
Hjorth Larsen
,
J.
Jørgen 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.
Bjerre Jensen
,
J.
Kermode
,
J. R.
Kitchin
,
E.
Leonhard Kolsbjerg
,
J.
Kubal
,
K.
Kaasbjerg
,
S.
Lysgaard
,
J.
Bergmann 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
).
59.
N.
Rønne
,
M.-P. V.
Christiansen
,
A. M.
Slavensky
,
Z.
Tang
,
F.
Brix
,
M. E.
Pedersen
,
M. K.
Bisbo
, and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
157
,
174115
(
2022
).
60.
V. L.
Deringer
and
G.
Csányi
,
Phys. Rev. B
95
,
094203
(
2017
).
61.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
62.
A. H.
Larsen
,
M.
Vanin
,
J. J.
Mortensen
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
80
,
195112
(
2009
).
63.
J.
Enkovaara
,
C.
Rostgaard
,
J. J.
Mortensen
,
J.
Chen
,
M.
Dułak
,
L.
Ferrighi
,
J.
Gavnholt
,
C.
Glinsvad
,
V.
Haikola
,
H. A.
Hansen
,
H. H.
Kristoffersen
,
M.
Kuisma
,
A. H.
Larsen
,
L.
Lehtovaara
,
M.
Ljungberg
,
O.
Lopez-Acevedo
,
P. G.
Moses
,
J.
Ojanen
,
T.
Olsen
,
V.
Petzold
,
N. A.
Romero
,
J.
Stausholm-Møller
,
M.
Strange
,
G. A.
Tritsaris
,
M.
Vanin
,
M.
Walter
,
B.
Hammer
,
H.
Häkkinen
,
G. K. H.
Madsen
,
R. M.
Nieminen
,
J. K.
Nørskov
,
M.
Puska
,
T. T.
Rantala
,
J.
Schiøtz
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
253202
(
2010
).
64.
M.
Valle
and
A. R.
Oganov
,
Acta Crystallogr., Sect. A: Found. Crystallogr.
66
,
507
(
2010
).
65.
A.
Li
and
B. T.
Draine
,
Astrophys. J.
550
,
L213
(
2001
).
66.
S. M.
Woodley
,
Mater. Manuf. Processes
24
,
255
(
2009
).
67.
C. M.
Mauney
and
D.
Lazzati
,
Mol. Astrophys.
12
,
1
(
2018
).
68.
A. M.
Escatllar
,
T.
Lazaukas
,
S. M.
Woodley
, and
S. T.
Bromley
,
ACS Earth Space Chem.
3
,
2390
(
2019
).
You do not currently have access to this content.