The introduction of machine learned potentials (MLPs) has greatly expanded the space available for studying Nuclear Quantum Effects computationally with ab initio path integral (PI) accuracy, with the MLPs’ promise of an accuracy comparable to that of ab initio at a fraction of the cost. One of the challenges in development of MLPs is the need for a large and diverse training set calculated by ab initio methods. This dataset should ideally cover the entire phase space, while not searching this space using ab initio methods, as this would be counterproductive and generally intractable with respect to computational time. In this paper, we present the self-learning PI hybrid Monte Carlo Method using a mixed ab initio and ML potential (SL-PIHMC-MIX), where the mixed potential allows for the study of larger systems and the extension of the original SL-HMC method [Nagai et al., Phys. Rev. B 102, 041124 (2020)] to PI methods and larger systems. While the MLPs generated by this method can be directly applied to run long-time ML-PIMD simulations, we demonstrate that using PIHMC-MIX with the trained MLPs allows for an exact reproduction of the structure obtained from ab initio PIMD. Specifically, we find that the PIHMC-MIX simulations require only 5000 evaluations of the 32-bead structure, compared to the 100 000 evaluations needed for the ab initio PIMD result.

1.
M.
Ceriotti
,
W.
Fang
,
P. G.
Kusalik
,
R. H.
McKenzie
,
A.
Michaelides
,
M. A.
Morales
, and
T. E.
Markland
,
Chem. Rev.
116
,
7529
(
2016
).
2.
A.
Zeidler
,
P. S.
Salmon
,
H. E.
Fischer
,
J. C.
Neuefeind
,
J. M.
Simonson
,
H.
Lemmel
,
H.
Rauch
, and
T. E.
Markland
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
145501
(
2011
).
3.
A.
Zeidler
,
P. S.
Salmon
,
H. E.
Fischer
,
J. C.
Neuefeind
,
J.
Mike Simonson
, and
T. E.
Markland
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
284126
(
2012
).
4.
A. K.
Soper
,
ISRN Phys. Chem.
2013
,
e279463
.
5.
Y.
Kameda
,
Y.
Amo
,
T.
Usuki
,
Y.
Umebayashi
,
K.
Ikeda
, and
T.
Otomo
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
91
,
1586
(
2018
).
6.
B.
Thomsen
and
M.
Shiga
,
J. Chem. Phys.
154
,
084117
(
2021
).
7.
B.
Thomsen
and
M.
Shiga
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
24
,
10851
(
2022
).
8.
R. P.
Feynman
,
Statistical Mechanics, A Set of Lectures, California, Institute of Technology
(
WA Benjamin, Inc. Advanced Book Program
,
Reading, MA
,
1972
).
9.
R. P.
Feynman
,
A. R.
Hibbs
, and
D. F.
Styer
,
Quantum Mechanics and Path Integrals
(
Courier Corporation
,
2010
).
10.
L. S.
Schulman
,
Techniques and Applications of Path Integration
(
Courier Corporation
,
2012
).
11.
M.
Shiga
,
Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering
(
Elsevier
,
2018
).
12.
V.
Kapil
,
M.
Rossi
,
O.
Marsalek
,
R.
Petraglia
,
Y.
Litman
,
T.
Spura
,
B.
Cheng
,
A.
Cuzzocrea
,
R. H.
Meißner
,
D. M.
Wilkins
,
B. A.
Helfrecht
,
P.
Juda
,
S. P.
Bienvenue
,
W.
Fang
,
J.
Kessler
,
I.
Poltavsky
,
S.
Vandenbrande
,
J.
Wieme
,
C.
Corminboeuf
,
T. D.
Kühne
,
D. E.
Manolopoulos
,
T. E.
Markland
,
J. O.
Richardson
,
A.
Tkatchenko
,
G. A.
Tribello
,
V.
Van Speybroeck
, and
M.
Ceriotti
,
Comput. Phys. Commun.
236
,
214
(
2019
).
13.
T. B.
Blank
,
S. D.
Brown
,
A. W.
Calhoun
, and
D. J.
Doren
,
J. Chem. Phys.
103
,
4129
(
1995
).
14.
D. F. R.
Brown
,
M. N.
Gibbs
, and
D. C.
Clary
,
J. Chem. Phys.
105
,
7597
(
1996
).
15.
S.
Lorenz
,
A.
Groß
, and
M.
Scheffler
,
Chem. Phys. Lett.
395
,
210
(
2004
).
16.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
17.
J.
Behler
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
183001
(
2014
).
18.
J.
Behler
,
Int. J. Quantum Chem.
115
,
1032
(
2015
).
19.
J.
Behler
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
12828
(
2017
).
20.
N.
Artrith
,
T.
Morawietz
, and
J.
Behler
,
Phys. Rev. B
83
,
153101
(
2011
).
21.
T.
Morawietz
,
V.
Sharma
, and
J.
Behler
,
J. Chem. Phys.
136
,
064103
(
2012
).
23.
T.
Morawietz
,
A.
Singraber
,
C.
Dellago
, and
J.
Behler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
,
8368
(
2016
).
24.
A.
Omranpour
,
P.
Montero De Hijes
,
J.
Behler
, and
C.
Dellago
,
J. Chem. Phys.
160
,
170901
(
2024
).
25.
A.
Krishnamoorthy
,
K.-i.
Nomura
,
N.
Baradwaj
,
K.
Shimamura
,
P.
Rajak
,
A.
Mishra
,
S.
Fukushima
,
F.
Shimojo
,
R.
Kalia
,
A.
Nakano
, and
P.
Vashishta
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
216403
(
2021
).
26.
D.
Lu
,
H.
Wang
,
M.
Chen
,
L.
Lin
,
R.
Car
,
W.
E
,
W.
Jia
, and
L.
Zhang
,
Comput. Phys. Commun.
259
,
107624
(
2021
).
27.
V.
Babin
,
C.
Leforestier
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
5395
(
2013
).
28.
V.
Babin
,
G. R.
Medders
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1599
(
2014
).
29.
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2906
(
2014
).
30.
G. R.
Medders
,
A. W.
Götz
,
M. A.
Morales
,
P.
Bajaj
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Phys.
143
,
104102
(
2015
).
31.
X.
Zhu
,
M.
Riera
,
E. F.
Bull-Vulpe
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
19
,
3551
(
2023
).
32.
Q.
Yu
,
C.
Qu
,
P. L.
Houston
,
R.
Conte
,
A.
Nandi
, and
J. M.
Bowman
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
5068
(
2022
).
33.
J.
Daru
,
H.
Forbert
,
J.
Behler
, and
D.
Marx
,
Phys. Rev. Lett.
129
,
226001
(
2022
).
34.
M. S.
Chen
,
J.
Lee
,
H.-Z.
Ye
,
T. C.
Berkelbach
,
D. R.
Reichman
, and
T. E.
Markland
,
J. Chem. Theory Comput.
19
,
4510
(
2023
).
35.
B.
Cheng
,
J.
Behler
, and
M.
Ceriotti
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2210
(
2016
).
36.
V.
Kapil
,
J.
Behler
, and
M.
Ceriotti
,
J. Chem. Phys.
145
,
234103
(
2016
).
37.
V.
Kapil
,
D. M.
Wilkins
,
J.
Lan
, and
M.
Ceriotti
,
J. Chem. Phys.
152
,
124104
(
2020
).
38.
Y.
Yao
and
Y.
Kanai
,
J. Chem. Phys.
153
,
044114
(
2020
).
39.
C.
Li
,
F.
Paesani
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Theory Comput.
18
,
2124
(
2022
).
40.
Y.
Yao
and
Y.
Kanai
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
6354
(
2021
).
41.
H.-Y.
Ko
,
L.
Zhang
,
B.
Santra
,
H.
Wang
,
W.
E
,
R. A.
DiStasio
, Jr.
, and
R.
Car
,
Mol. Phys.
117
,
3269
(
2019
).
42.
J.
Xu
,
C.
Zhang
,
L.
Zhang
,
M.
Chen
,
B.
Santra
, and
X.
Wu
,
Phys. Rev. B
102
,
214113
(
2020
).
43.
A. O.
Atsango
,
T.
Morawietz
,
O.
Marsalek
, and
T. E.
Markland
,
J. Chem. Phys.
159
,
074101
(
2023
).
44.
Z.
Li
,
J. R.
Kermode
, and
A.
De Vita
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
096405
(
2015
).
45.
R.
Jinnouchi
,
J.
Lahnsteiner
,
F.
Karsai
,
G.
Kresse
, and
M.
Bokdam
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
225701
(
2019
).
46.
Z.
Cheng
,
D.
Zhao
,
J.
Ma
,
W.
Li
, and
S.
Li
,
J. Phys. Chem. A
124
,
5007
(
2020
).
47.
T. A.
Young
,
T.
Johnston-Wood
,
V. L.
Deringer
, and
F.
Duarte
,
Chem. Sci.
12
,
10944
(
2021
).
48.
P.
Montero de Hijes
,
C.
Dellago
,
R.
Jinnouchi
,
B.
Schmiedmayer
, and
G.
Kresse
,
J. Chem. Phys.
160
,
114107
(
2024
).
49.
Y.
Nagai
,
M.
Okumura
,
K.
Kobayashi
, and
M.
Shiga
,
Phys. Rev. B
102
,
041124
(
2020
).
50.
K.
Kobayashi
,
Y.
Nagai
,
M.
Itakura
, and
M.
Shiga
,
J. Chem. Phys.
155
,
034106
(
2021
).
51.
S.
Gottlieb
,
W.
Liu
,
D.
Toussaint
,
R. L.
Renken
, and
R. L.
Sugar
,
Phys. Rev. D
35
,
2531
(
1987
).
52.
S.
Duane
,
A. D.
Kennedy
,
B. J.
Pendleton
, and
D.
Roweth
,
Phys. Lett. B
195
,
216
(
1987
).
53.
B.
Mehlig
,
D. W.
Heermann
, and
B. M.
Forrest
,
Phys. Rev. B
45
,
679
(
1992
).
54.
M. E.
Tuckerman
,
B. J.
Berne
,
G. J.
Martyna
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
99
,
2796
(
1993
).
55.
W.
Shinoda
,
M.
Shiga
, and
M.
Mikami
,
Phys. Rev. B
69
,
134103
(
2004
).
56.
A.
Nakayama
,
T.
Taketsugu
, and
M.
Shiga
,
Chem. Lett.
38
,
976
(
2009
).
57.
Y.
Miao
,
W.
Sinko
,
L.
Pierce
,
D.
Bucher
,
R. C.
Walker
, and
J. A.
McCammon
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2677
(
2014
).
58.
J. L.
Finney
,
J. Chem. Phys.
160
,
060901
(
2024
).
59.
B.
Chen
,
I.
Ivanov
,
M. L.
Klein
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
215503
(
2003
).
60.
M. J.
Gillan
,
D.
Alfè
, and
A.
Michaelides
,
J. Chem. Phys.
144
,
130901
(
2016
).
61.
J.
Villard
,
M. P.
Bircher
, and
U.
Rothlisberger
,
Chem. Sci.
15
,
4434
(
2024
).
62.
O.
Marsalek
and
T. E.
Markland
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1545
(
2017
).
63.
M.
Del Ben
,
J.
Hutter
, and
J.
VandeVondele
,
J. Chem. Phys.
143
,
054506
(
2015
).
64.
A.
Zen
,
Y.
Luo
,
G.
Mazzola
,
L.
Guidoni
, and
S.
Sorella
,
J. Chem. Phys.
142
,
144111
(
2015
).
65.
A.
Witt
,
S. D.
Ivanov
,
M.
Shiga
,
H.
Forbert
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Phys.
130
,
194510
(
2009
).
66.
M.
Shiga
,
J. Comput. Chem.
43
,
1864
(
2022
).
67.
M.
Parrinello
and
A.
Rahman
,
J. Chem. Phys.
80
,
860
(
1984
).
68.
R. W.
Hall
and
B. J.
Berne
,
J. Chem. Phys.
81
,
3641
(
1984
).
69.
M.
Ceriotti
,
M.
Parrinello
,
T. E.
Markland
, and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
133
,
124104
(
2010
).
70.
O. F.
Lange
and
H.
Grubmüller
,
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
70
,
1294
(
2008
).
71.
M.
Shiga
, PIMD,
2020
.
72.
T. D.
Kühne
,
M.
Iannuzzi
,
M.
Del Ben
,
V. V.
Rybkin
,
P.
Seewald
,
F.
Stein
,
T.
Laino
,
R. Z.
Khaliullin
,
O.
Schütt
,
F.
Schiffmann
,
D.
Golze
,
J.
Wilhelm
,
S.
Chulkov
,
M. H.
Bani-Hashemian
,
V.
Weber
,
U.
Borštnik
,
M.
Taillefumier
,
A. S.
Jakobovits
,
A.
Lazzaro
,
H.
Pabst
,
T.
Müller
,
R.
Schade
,
M.
Guidon
,
S.
Andermatt
,
N.
Holmberg
,
G. K.
Schenter
,
A.
Hehn
,
A.
Bussy
,
F.
Belleflamme
,
G.
Tabacchi
,
A.
Glöß
,
M.
Lass
,
I.
Bethune
,
C. J.
Mundy
,
C.
Plessl
,
M.
Watkins
,
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
, and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
152
,
194103
(
2020
).
73.
A.
Marek
,
V.
Blum
,
R.
Johanni
,
V.
Havu
,
B.
Lang
,
T.
Auckenthaler
,
A.
Heinecke
,
H.-J.
Bungartz
, and
H.
Lederer
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
213201
(
2014
).
74.
M.
Frigo
and
S. G.
Johnson
,
Proc. IEEE
93
,
216
(
2005
).
75.
N.
Artrith
and
A.
Urban
,
Comput. Mater. Sci.
114
,
135
(
2016
).
76.
B.
Hammer
,
L. B.
Hansen
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
59
,
7413
(
1999
).
77.
J.
Sun
,
A.
Ruzsinszky
, and
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
036402
(
2015
).
79.
J.
Klimeš
,
D. R.
Bowler
, and
A.
Michaelides
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
022201
(
2009
).
80.
M. A. L.
Marques
,
M. J. T.
Oliveira
, and
T.
Burnus
,
Comput. Phys. Commun.
183
,
2272
(
2012
).
81.
S.
Lehtola
,
C.
Steigemann
,
M. J. T.
Oliveira
, and
M. A. L.
Marques
,
SoftwareX
7
,
1
(
2018
).
82.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
83.
S.
Grimme
,
S.
Ehrlich
, and
L.
Goerigk
,
J. Comput. Chem.
32
,
1456
(
2011
).
84.
G.
Lippert
,
J.
Hutter
, and
M.
Parrinello
,
Mol. Phys.
92
,
477
(
1997
).
85.
J.
VandeVondele
and
J.
Hutter
,
J. Chem. Phys.
127
,
114105
(
2007
).
86.
S.
Goedecker
,
M.
Teter
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
54
,
1703
(
1996
).
87.
88.
S.
Nosé
,
J. Chem. Phys.
81
,
511
(
1984
).
89.
G. J.
Martyna
,
M. L.
Klein
, and
M.
Tuckerman
,
J. Chem. Phys.
97
,
2635
(
1992
).
90.
P.
Schienbein
and
D.
Marx
,
J. Phys. Chem. B
122
,
3318
(
2018
).
91.
P.
Schienbein
and
D.
Marx
,
Angew. Chem., Int. Ed.
59
,
18578
(
2020
).
92.
B.
Thomsen
and
M.
Shiga
,
J. Chem. Phys.
155
,
194107
(
2021
).
94.
A. M.
Cooper
,
J.
Kästner
,
A.
Urban
, and
N.
Artrith
,
npj Comput. Mater.
6
,
54
(
2020
).
95.
A. K.
Soper
and
C. J.
Benmore
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
065502
(
2008
).
96.
M.
Machida
,
K.
Kato
, and
M.
Shiga
,
J. Chem. Phys.
148
,
102324
(
2017
).
97.
M.
Chen
,
H.-Y.
Ko
,
R. C.
Remsing
,
M. F.
Calegari Andrade
,
B.
Santra
,
Z.
Sun
,
A.
Selloni
,
R.
Car
,
M. L.
Klein
,
J. P.
Perdew
, and
X.
Wu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
10846
(
2017
).
98.
C.
Herrero
,
M.
Pauletti
,
G.
Tocci
,
M.
Iannuzzi
, and
L.
Joly
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
119
,
e2121641119
(
2022
).
99.
K.
Modig
,
B. G.
Pfrommer
, and
B.
Halle
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
075502
(
2003
).
100.
I. R.
Craig
and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
121
,
3368
(
2004
).
101.
B. J.
Braams
and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
125
,
124105
(
2006
).
102.
J.
Cao
and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
100
,
5106
(
1994
).
103.
J.
Liu
and
Z.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
144
,
034307
(
2016
).
You do not currently have access to this content.