Nonadiabatic Molecular Dynamics on Graphics Processing Units: Performance and Application to Rotary Molecular Motors

Abstract

Nonadiabatic molecular dynamics (NAMD) simulations of molecular systems require the efficient evaluation of excited-state properties, such as energies, gradients, and nonadiabatic coupling vectors. Here, we investigate the use of graphics processing units (GPUs) in addition to central processing units (CPUs) to efficiently calculate these properties at the time-dependent density functional theory (TDDFT) level of theory. Our implementation in the FermiONs++ program package uses the J-engine and a preselective screening procedure for the calculation of Coulomb and exchange kernels, respectively. We observe good speed-ups for small and large molecular systems (comparable to those observed in ground-state calculations) and reduced (down to sublinear) scaling behavior with respect to the system size (depending on the spatial locality of the investigated excitation). As a first illustrative application, we present efficient NAMD simulations of a series of newly designed light-driven rotary molecular motors and compare their S1 lifetimes. Although all four rotors show different S1 excitation energies, their ability to rotate upon excitation is conserved, making the series an interesting starting point for rotary molecular motors with tunable excitation energies.

Molecular Photochemistry: Recent Developments in Theory

“…[172][173][174] Hence, the last decade has seen ah uge effort in developing more accurate and more versatile trajectory-based non-adiabatic dynamics methods,asdocumented in recent reviews. [141,[175][176][177][178][179][180] Thepopularity of TSH because of its simplicity and computational efficiency is recognized in the large number of applications,r anging from chemistry [181][182][183][184][185] to biology, [186][187][188][189][190] from surface chemistry [191][192][193] to conjugated polyene materials, [194] and from molecular rotors [116,195] to transition-metal complexes. [11,196] Tr ajectory-based non-adiabatic dynamics has profited from the recent development of exact factorization theory, [197] which is an alternative to the classical Born-Oppenheimer formalism for treating coupled nuclear-electron dynamics.…”

“…Hence, the last decade has seen a huge effort in developing more accurate and more versatile trajectory‐based non‐adiabatic dynamics methods, as documented in recent reviews . The popularity of TSH because of its simplicity and computational efficiency is recognized in the large number of applications, ranging from chemistry to biology, from surface chemistry to conjugated polyene materials, and from molecular rotors to transition‐metal complexes …”

Molekulare Photochemie: Moderne Entwicklungen in der theoretischen Chemie

“…Eine unabhängig davon entstandene,v or kurzem verçffentlichte TD-DFT-Implementierung zeigt sogar eine sublineare Skalierung in der Berechnung von angeregten Zuständen großer System, wie füreine Pore eines kovalenten organischen Netzwerks mit etwa 600 Atomen demonstriert wurde. [116] Eine Strategie fürdie Berechnung von Systemen, welche zu groß füre ine vollständige quantenchemische Beschreibung sind, ist es,d as System zu unterteilen. Dabei wird es in einen kleinen Te il, fürd en quantenmechanische (QM-)Rechnungen praktisch durchführbar sind, und einen grçßeren Te il, der als Umgebung betrachtet wird, zerlegt.…”

“…[172][173][174] Ausd iesem Grund wurde im letzten Jahrzehnt ein großer Entwicklungsaufwand hin zu genaueren und flexibleren Tr ajektorien-basierten Verfahren fürn ichtadiabatische Dynamik betrieben, wie in mehreren aktuellen Übersichtsartikeln dargelegt ist. [141,[175][176][177][178][179][180] Die große Popularitätd es TSH-Verfahrens aufgrund seiner Einfachheit und rechnerischen Effizienz lässt sich aus der großen Zahl seiner Anwendungen ablesen, welche von der Chemie [181][182][183][184][185] zur Biologie, [186][187][188][189][190] von Überflächenchemie [191][192][193] bis zu konjugierten Polyenen [194] und von molekularen Rotationsmotoren [116,195] bis zu Übergangsmetallkomplexen [11,196] reichen.…”

“…Damit sind beispielsweise beeindruckende Beschleunigungen von TD‐DFT‐, CASSCF‐ oder SI‐SA‐REKS‐Rechnungen möglich. Eine unabhängig davon entstandene, vor kurzem veröffentlichte TD‐DFT‐Implementierung zeigt sogar eine sublineare Skalierung in der Berechnung von angeregten Zuständen großer System, wie für eine Pore eines kovalenten organischen Netzwerks mit etwa 600 Atomen demonstriert wurde …”