解析機能

Analysis

FBTKの解析機能は、ASE オブジェクトや Trajectory データを直接受け取り、Rust エンジンで高速に処理します。

ASE オブジェクトの直接解析

fbtk.compute_rdf や fbtk.compute_msd は、ASE の Atoms オブジェクトやそのリストを直接引数に取ることができます。

RDF の例: 銅結晶の解析

import fbtk
from ase.build import bulk

# 銅の FCC 結晶を作成 (4x4x4 supercell, 256 atoms)
atoms = bulk('Cu', 'fcc', a=3.614) * (4, 4, 4)

# RDF を計算 (r_max=10.0 A, 100 bins)
r, g_r = fbtk.compute_rdf(atoms, query="element Cu", r_max=10.0, n_bins=100)

# ピーク付近のデータを表示
print("RDF Result (Cu FCC):")
for i in range(20, 50):
    print(f"  r = {r[i]:.2f} A, g(r) = {g_r[i]:.2f}")

出力例:

RDF Result (Cu FCC):
  r = 2.05 A, g(r) = 0.00
  r = 2.15 A, g(r) = 0.00
  r = 2.25 A, g(r) = 0.00
  r = 2.35 A, g(r) = 0.00
  r = 2.45 A, g(r) = 0.00
  r = 2.55 A, g(r) = 17.33  <-- 第1近接ピーク
  r = 2.65 A, g(r) = 0.00
  ...
  r = 3.55 A, g(r) = 0.00
  r = 3.65 A, g(r) = 4.23   <-- 第2近接ピーク
  r = 3.75 A, g(r) = 0.00
  ...
  r = 4.35 A, g(r) = 0.00
  r = 4.45 A, g(r) = 7.28   <-- 第3近接ピーク
  r = 4.55 A, g(r) = 0.00

MSD の例: 軌跡データの解析

拡散係数の見積もりに必要な MSD を高速に計算します。

import fbtk
from ase.io import read

# Trajectory ファイルを読み込み (例: 100フレーム)
traj = read("traj.lammpstrj", index=":")

# MSD を計算
# dt: フレーム間の時間間隔 (例: 1000ステップごとに保存し、1step=1fs なら dt=1000)
res = fbtk.compute_msd(traj, query="resname SOL", dt=1000.0)

# 結果を表示
print("MSD Result:")
for i in range(4):
    print(f"  t = {res['time'][i]:.1f}, MSD = {res['msd'][i]:.3f}")

出力例:

MSD Result:
  t = 0.0, MSD = 0.000
  t = 1000.0, MSD = 0.005
  t = 2000.0, MSD = 0.018
  t = 3000.0, MSD = 0.033

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スマートクエリのセマンティクス

クエリ内では、原子グループを絞り込む and と、ペアを定義するセパレータ（with または -）を使い分けます。

1. グループの絞り込み (and, or)

単一のグループを定義する際に、条件を組み合わせます。

• resname SOL and element O: 「残基名が SOL」かつ「元素が O」である原子のグループ。

2. ペアの定義 (with または -)

RDF 解析において、相関を見る 2 つのグループを分けるために使用します。

• GroupA with GroupB または GroupA - GroupB: GroupA（ソース）と GroupB（ターゲット）の間のペアを定義します。

# 例: 水分子(WAT)の中の酸素(O)と、溶質(ION)の間の相関
fbtk.compute_rdf(atoms, query="resname WAT and element O with resname ION")

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具体的なクエリ例

1. 元素と残基名

• element C: 炭素原子すべて。
• resname POLY: 残基名が POLY の原子すべて。

2. インデックス (原子 ID) の直接指定

多数の原子をピンポイントで指定したり、範囲で指定したりできます。

• index 0 1 2 5 10: 特定の原子 ID をリストアップ。
• index 0 to 99: 原子 ID 0 から 99 までを選択。
• index 0 to 49 with index 50 to 99: 特定の ID 範囲間の相関を計算。

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ASE 互換の高速解析機能

ASE の Atoms オブジェクトに対してよく行われる計算も Rust で高速化されています。

# System オブジェクト (system = builder.build()) からの解析
distances = system.get_all_distances(mic=True)  # 周期境界 (PBC) を考慮した最短距離
com = system.get_center_of_mass()                # 重心計算
neighbors = system.get_neighbor_list(cutoff=5.0) # 近傍リスト取得