예제 · E1

LJ 액체 (NVE) 첫 실행

외부 파일 없이 LJ 액체 4000개를 NVE로 250 step 돌리는 가장 단순한 첫 실행.

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NOTE 33-01-00 · LJ 액체 (NVE) 첫 실행

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 환원 단위(lj)로 fcc 격자 위에 Lennard-Jones 입자 4000개를 만든다.
  2. 이 노트는 NVE 앙상블에서 250 step 적분한다.
  3. 설치 직후 LAMMPS 가 제대로 실행되는지 확인하는 용도로 쓴다.

B. 적용 범위

  1. 외부 데이터 파일이나 힘장 라이브러리가 필요 없다.
  2. 원자 종류와 상호작용이 하나뿐이다.
  3. LAMMPS 입력의 4단계 구조를 가장 작은 형태로 다룬다.

C. 결과 요약

  1. 온도는 첫 50 step 만에 1.44 에서 0.75 부근으로 떨어진다.
  2. TotEng 은 −4.6231 부근에서 거의 일정하다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. LAMMPS 가 설치되어 있어야 한다(01 시작하기).

B. 참조 자료

참조 제목
01 시작하기 설치 확인과 첫 실행
02 입력 스크립트 구조 4단계 구조
03 단위계와 atom_style lj 단위의 의미
06 셋업과 실행 velocity · fix · run
E2 — LJ 5단계 최소화·NVT·NPT·분석을 더한 전체 흐름

C. 사용 프로그램

항목 용도
LAMMPS (lmp) 시뮬레이션 실행. 4.A 의 결과는 LAMMPS 22 Jul 2025 직렬 실행 기준이다.
MPI (mpirun) 병렬 실행 (4 코어 예시)

D. 관련 파일

항목 내용
in.lj 입력 스크립트 (3.A 에서 작성)
데이터·포텐셜 파일 없음. units lj 는 모든 양을 무차원 환원 단위로 다룬다.

3. 절차

A. 입력 작성: in.lj

  1. 아래 내용으로 in.lj 를 작성한다.
# in.lj — 가장 단순한 Lennard-Jones 액체
units           lj
atom_style      atomic

lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box

mass            1 1.0

pair_style      lj/cut 2.5
pair_coeff      1 1 1.0 1.0 2.5

velocity        all create 1.44 87287 loop geom

neighbor        0.3 bin
neigh_modify    every 20 delay 0 check no

fix             1 all nve

thermo          50
run             250
  1. 계 크기를 확인한다. region ... 0 10 0 10 0 10 은 격자 단위로 10 × 10 × 10 셀이다.
  2. 원자 수를 확인한다. fcc 이므로 원자는 4000개다.
  3. velocity ... create 1.44 가 초기 온도를 주는지 확인한다.
  4. fix nve 가 미시정준 앙상블을 적분하는지 확인한다.

참고 미시정준(NVE) 앙상블에서는 에너지·부피·입자수가 보존된다.

B. 실행

  1. 직렬(1 코어) 또는 병렬(4 코어)로 실행한다.
# 직렬 (1 코어)
lmp -in in.lj > out.lj

# 병렬 (4 코어)
mpirun -np 4 lmp -in in.lj > out.lj

C. 출력 확인

  1. 텍스트 파일 out.lj 와 log.lammps 가 생겼는지 확인한다.
  2. out.lj 끝부분의 thermo 표를 연다.

4. 시험 및 검사

A. 온도 평형과 에너지 보존

  1. thermo 표를 아래 기준값과 비교한다(LAMMPS 22 Jul 2025, 직렬 실행).
   Step          Temp          E_pair         E_mol          TotEng         Press
         0   1.44          -6.7733681      0             -4.6139081     -5.0199732
        50   0.74368149    -5.7370606      0             -4.6218173      0.30804835
       100   0.75715334    -5.7581426      0             -4.6226965      0.20850222
       150   0.7518449     -5.7510464      0             -4.623561       0.22707058
       200   0.75139921    -5.7500924      0             -4.6232753      0.25362795
       250   0.75954471    -5.7621762      0             -4.623144       0.21729981
Loop time of 0.350699 on 1 procs for 250 steps with 4000 atoms
  1. 온도를 확인한다. 처음 1.44 였던 온도가 첫 50 step 만에 0.75 부근으로 떨어지면 정상이다.
  2. 총 에너지를 확인한다. TotEng 이 −4.6231 부근에서 거의 일정하면 합격이다.
LJ 액체 첫 시뮬레이션의 온도와 총 에너지 추이
왼쪽: 온도가 1.44 → 0.75 부근으로 평형화. 오른쪽: 총 에너지(녹색)는 거의 일정(NVE 보존), 보라색은 포텐셜 에너지(E_pair).

참고 온도가 떨어지는 이유는 무작위 초기 속도로 출발한 격자가 풀리면서 운동 에너지가 포텐셜로 나뉘어 들어가기 때문이다. 운동 에너지의 절반가량이 포텐셜로 넘어가므로 온도는 대략 절반 수준이 된다(등분배). TotEng 이 일정하다는 것은 NVE 적분이 에너지를 잘 보존한다는 뜻이다. 첫 실험으로 NVE 를 자주 돌리는 이유도 이 보존성을 확인하기 위해서다.

5. 종료

A. 결과 정리

  1. units lj 는 모든 양을 무차원 환원 단위로 다루므로 외부 힘장 파일이 필요 없다.
  2. 초기 온도는 운동 에너지의 절반가량이 포텐셜로 넘어가면서 대략 절반 수준으로 떨어진다(등분배).
  3. NVE 에서 TotEng 이 일정한지 확인하는 것이 가장 단순한 정확도·timestep 점검이다.

B. 후속 작업

  1. 성능은 Loop time 을 기준으로 판단한다. 코어 수나 계 크기를 바꿔 Loop time 을 비교한다.
  2. 최소화·NVT·NPT·분석을 더한 전체 흐름은 E2 — LJ 5단계에서 다룬다.