无机晶体电子密度的拓扑描述子
材料科学
2025-06-18 v2 化学物理
摘要
描述子在数据驱动的材料设计中扮演重要角色。虽然大多数晶体材料描述子强调结构和成分，但往往忽略电子密度——这是一种复杂且基本的量，支配材料性质。本文介绍 Betti 曲线作为压缩电子密度的紧凑表示的拓扑描述子。从持久同调推导，Betti 曲线通过编码不同电子密度阈值下的组件、环和空洞来捕获键合特征。基于 Betti 曲线训练的机器学习模型在分类结构原型、预测热力学稳定性和区分金属与非金属方面，平均提高了 33 个百分点。香农熵计算表明，Betti 曲线在保留相当于电子密度的信息内容的同时，所需数据量降低了两个数量级。通过兼具表达力和紧凑表示，Betti 曲线凸显了拓扑数据分析在材料设计中潜力。
引用
@article{arxiv.2502.16379,
title = {Topological descriptors for the electron density of inorganic solids},
author = {Nathan J. Szymanski and Alexander Smith and Prodromos Daoutidis and Christopher J. Bartel},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.16379},
year = {2025}
}