Learning Smooth and Expressive Interatomic Potentials for Physical Property Prediction

Xiang Fu, Brandon M. Wood, Luis Barroso-Luque, Daniel S. Levine, Meng Gao, Misko Dzamba, C. L. Zitnick, Pavan Peter Eastman, Kumar Behara, David L. Dotson, Raimondas Galvelis, John E. Herr, Joshua T. Horton, Yuezhi Mao, J. Chodera, Benjamin P. Pritchard, T. Markland

arXiv:2502.12147 · 2026-07-27 공개 · arXiv · PDF

molecular-dynamics model-improvement interatomic-potentials energy-conservation physical-property-prediction materials-stability thermal-conductivity phonon-calculations

Abstract

Machine learning interatomic potentials (MLIPs) have become increasingly effective at approximating quantum mechanical calculations at a fraction of the computational cost. However, lower errors on held out test sets do not always translate to improved results on downstream physical property prediction tasks. In this paper, we propose testing MLIPs on their practical ability to conserve energy during molecular dynamic simulations. If passed, improved correlations are found between test errors and their performance on physical property prediction tasks. We identify choices which may lead to models failing this test, and use these observations to improve upon highly-expressive models. The resulting model, eSEN, provides state-of-the-art results on a range of physical property prediction tasks, including materials stability prediction, thermal conductivity prediction, and phonon calculations.

한국어 요약

한 줄 요약

eSEN이라는 새로운 MLIP 모델이 에너지 보존 능력을 기반으로 물리적 성질 예측 성능을 SOTA 수준으로 향상시킨다.

핵심 기여도

핵심 아이디어

기존 MLIP 연구는 정적 DFT 테스트셋 기반의 에너지/힘 예측 정확도에 집중했으나, 이는 복잡한 시뮬레이션에서의 성능 향상으로 이어지지 않았다. 본 연구는 MLIP이 분자 역학 시뮬레이션에서 실제로 에너지를 보존할 수 있는지 평가함으로써, 테스트 오차와 물리적 성질 예측 간의 상관관계를 강화하는 새로운 접근법을 제안한다. 에너지 보존 능력은 연속적이고 유계인 에너지 미분(즉, 매끄러운 에너지 경사면)을 학습하는 데 기반하며, 이를 위해 eSEN이라는 새로운 모델 아키텍처를 제안한다. eSEN은 기존 모델들이 단일 지표에만 집중했던 문제를 해결하며, 다중 물리적 성질 예측에서 뛰어난 성능을 보인다.

기술적 접근법

주요 결과

의의 및 한계

eSEN은 MLIP 모델의 설계 기준을 테스트셋 오차에서 실제 시뮬레이션 성능으로 전환하는 데 기여하며, 모델 개발 효율성을 높인다. 그러나 본 연구는 특정 물리적 성질(예: 열전도도, 폰온)에만 적용되었으며, 다른 물성 예측 태스크로의 확장 가능성은 추가 연구가 필요하다. 또한, 에너지 보존 테스트는 계산 비용이 상대적으로 높아 대규모 모델 평가에는 한계가 있을 수 있다.

실용적 활용

eSEN은 신소재 설계, 약물 발견, 고분자 시뮬레이션 등에서 분자 역학 시뮬레이션의 정확도와 효율성을 동시에 요구하는 분야에 적용 가능하다. 특히, DFT 계산 대체로 연구 주기를 단축하고, 물성 예측의 신뢰도를 높이는 데 유용하다.