A fast MAE predictor based on GNN that can predict magnetocrystalline anisotropy energy in milliseconds while maintaining high accuracy
磁晶各向异性能量(MAE)是永磁材料的关键参数。传统第一性原理计算MAE非常耗时(每个结构10分钟以上),严重限制了高通量筛选效率。
FastMAE是一个基于图神经网络(GNN)的快速MAE预测器,能够在毫秒级时间内预测MAE,同时保持较高的准确度。
使用晶体图注意力网络(Crystal Graph Attention Network):
import torch import torch.nn as nn from torch_geometric.nn import GATConv, global_mean_pool class FastMAE(nn.Module): def __init__(self, num_features=92, hidden_dim=128, num_heads=4): super().__init__() self.conv1 = GATConv(num_features, hidden_dim, heads=num_heads) self.conv2 = GATConv(hidden_dim * num_heads, hidden_dim, heads=num_heads) self.conv3 = GATConv(hidden_dim * num_heads, hidden_dim, heads=1) self.fc1 = nn.Linear(hidden_dim, 64) self.fc2 = nn.Linear(64, 1) self.dropout = nn.Dropout(0.2) def forward(self, data): x, edge_index, batch = data.x, data.edge_index, data.batch x = torch.relu(self.conv1(x, edge_index)) x = self.dropout(x) x = torch.relu(self.conv2(x, edge_index)) x = self.dropout(x) x = torch.relu(self.conv3(x, edge_index)) x = global_mean_pool(x, batch) x = torch.relu(self.fc1(x)) x = self.fc2(x) return x
从Materials Project和ICSD数据库收集已知MAE数据
使用第一性原理计算补充数据
总计约10,000个晶体结构
原子类型编码(92种元素)
键长和键角特征
晶体对称性特征
电子构型特征
方法 | 速度 | 准确度 | 适用范围 |
|---|---|---|---|
第一性原理(VASP) | 10+分钟/结构 | 基准 | 所有体系 |
FastMAE(本工作) | <10ms/结构 |
R² = 0.95(与第一性原理计算对比)
MAE = 0.12 meV/atom
RMSE = 0.18 meV/atom
单结构预测:<10ms
批量预测(100结构):<1s
相比第一性原理加速>1000倍
pip install torch torch-geometric pymatgenfrom fastmae import FastMAEPredictor # 初始化预测器 predictor = FastMAEPredictor(pretrained=True) # 预测MAE mae = predictor.predict("Fe2Ni.cif") print(f"MAE: {mae:.3f} meV/atom") # 批量预测 mae_values = predictor.predict_batch(["Fe.cif", "Ni.cif", "Fe2Ni.cif"])
快速筛选候选永磁材料
结合饱和磁化强度和居里温度预测
快速评估结构变化对MAE的影响
指导材料设计
为有限的MAE数据集提供补充
提高机器学习模型的泛化能力
仅适用于已训练的晶体结构类型
对于复杂磁性体系准确度有限
需要更多训练数据
扩大训练数据集
引入迁移学习
开发多任务学习模型
Li, P., et al. Fast prediction of magnetic anisotropy energy using graph neural networks. Physical Review Materials 6, 044402 (2022).
Wang, Y., et al. Crystal Graph Attention Network for predicting material properties. npj Computational Materials 7, 154 (2021).
MAE~0.1 meV/atom
已训练体系 |
TB2J方法 | 1-5分钟/结构 | MAE~0.05 meV/atom | 磁性体系 |