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Compute

Compute 层从 Trajectory 或 Frame 计算物理观测量，涵盖结构分布、动力学关联和光谱。所有分析方法共用一套模式，学会一个就能通晓全部。

Compute → Result 模式

每种分析都是一个可配置的小对象，构建一次后调用到数据上。返回带类型的 Result 对象——不是裸元组——输出自带含义，一眼就能看懂。部分分析（RDF、密度、序参数）还需要 NeighborList 做空间查询，构造方式与分析方法相同，随后跟帧一起传进去：

from molpy.compute import NeighborList, RDF

nlist  = NeighborList(cutoff=10.0)(frame)   # 1. 空间查询（成对邻居）
rdf    = RDF(n_bins=100, r_max=10.0)        # 2. 配置分析
result = rdf([frame], [nlist])              # 3. 调用于数据 -> 带类型 RDFResult
result.rdf, result.bin_centers              # 4. 读取自描述字段

不需要成对距离的分析（MSD、分布函数等）直接调用帧就行——还是先配置再调用。

数值密集的内核（自相关、FFT、谱前因子）在 molrs 中用 Rust 实现；MolPy 类负责数据提取、周期镜像解卷和向量化组装，物理计算则交给底层处理。

单位

Compute 内核使用 LAMMPS real 单位：长度 Å、电荷 \(e\)、时间 ps、 体积 ų、温度 K、角频率 rad·ps⁻¹。GROMACS 轨迹以原生 nm 读取 —— 分析前将长度乘以 10。

可用分析方法

方法 类 / 入口点 返回 测量量
介电光谱 DielectricSusceptibility DielectricSusceptibilityResult \(\varepsilon^*(\omega)\), \(\varepsilon(0)\), \(\sigma\)
离子电导率 IonicConductivity ConductivityResult \(\sigma\) (S/m)，通过 Einstein-Helfand 方法
自相关 ACFAnalyzer ACFResult 时间关联 \(C(t)\)
时间 → 频率 SpectralAnalyzer SpectralResult 加窗频谱
平均位移关联 MCDCompute MCDResult 每组的扩散 / MSD
极化 MSD PMSDCompute PMSDResult 集体电荷输运
Onsager 系数 Onsager OnsagerResult \(L_{ij}\) 集体位移互关联
电流-ACF 电导率 JACF JACFResult \(\sigma\) (S/m)，通过 Green-Kubo \(\langle J(0)\cdot J(t)\rangle\)
成对持久性 Persist PersistResult 驻留时间 / 存活 \(C(\tau)\)
径向分布 RDF 结构 \(g(r)\) 成对结构
静态结构因子 StaticStructureFactorDebye \(S(k)\) 倒空间结构
均方位移 MSD 时间序列 单粒子扩散
速度自相关 (VACF) compute_acf, PowerSpectrum ACF / VDOS 速度记忆、Green–Kubo 扩散、振动模式
近邻列表 NeighborList 成对列表 截断近邻查询
局部 / 网格密度 LocalDensity, GaussianDensity 密度场 数密度场
序参数 Steinhardt, Hexatic, Nematic, SolidLiquid 每个粒子的序参量 结晶度 / 相 / 取向
键取向图 BondOrder \((\theta,\phi)\) 直方图 局部键合几何
平均力势与力矩 PMFTXY 自由能场 取向分辨 PMF
形状描述符 RadiusOfGyration, GyrationTensor, InertiaTensor, CenterOfMass 每帧张量/标量 分子形状
聚类 / 分解 Cluster, ClusterCenters, Pca, KMeans 标签 / 成分 分组与降维
几何分布 DistanceDistribution, AngleDistribution, DihedralDistribution \(p(r)\), \(p(\theta)\), \(p(\phi)\) 键角 / 二面角结构
联合分布 CombinedDistribution N 维直方图 关联可观测量（联合分布函数, CDF）
空间分布 SpatialDistribution 体固定密度 三维取向分辨结构（空间分布函数, SDF）
Van Hove 关联 VanHove \(G(r,t)\) 时间分辨结构 / 动力学
重取向 TCF LegendreReorientation \(C_1(t)\), \(C_2(t)\) 向量重取向时间
氢键 HBonds, HBondCriterion 每帧键列表 氢键网络与计数
自由基 Voronoi RadicalVoronoi, VoronoiIntegration, voronoi_domains, voronoi_voids 胞 / 域 / 矩 曲面细分、域、空隙、电荷
振动光谱 PowerSpectrum, IRSpectrum, RamanSpectrum, VcdSpectrum, RoaSpectrum 光谱 振动态密度 (VDOS)、IR、Raman、振动圆二色 (VCD)、拉曼光学活性 (ROA)，均基于 ACF

用 Workflow 可以把多个分析步骤串成有向图，搭成多步流水线（例如偶极矩 → ACF → 频谱）。详见 Compute 工作流。

专题指南

以下指南从基本原理出发，完整地推导每种方法——读完就能理解分析方法为什么能工作，而不只是怎么调用。

结构

  • 结构分析 — 对分布函数 \(g(r)\)、配位数、静态结构因子 \(S(k)\)（Debye 方程）、局部与网格数密度、共用的近邻列表原语，以及平均力势。涵盖 RDF、StaticStructureFactorDebye、LocalDensity、GaussianDensity、NeighborList 和 PMFTXY。
  • 分布函数 — 角度 (ADF)、二面角 (DDF)、距离、联合 (CDF) 和空间 (SDF) 分布函数。涵盖 AngleDistribution、DihedralDistribution、DistanceDistribution、CombinedDistribution 和 SpatialDistribution。
  • 键取向序 — 基于键球谐函数的 Steinhardt \(q_\ell\)/\(w_\ell\)、fcc/hcp/bcc 区分、六角 \(\psi_6\)、固液判别以及向列 \(Q\) 张量。涵盖 Steinhardt、Hexatic、SolidLiquid、Nematic 和 BondOrder。
  • 形状、聚类与分解 — 回转张量和惯性张量、形状各向异性、聚集检测以及描述符集上的 PCA / k-means。涵盖形状描述符、Cluster、ClusterProperties、Pca 和 KMeans。
  • 氢键网络 — 几何氢键检测及其与寿命的关系。涵盖 HBonds 和 HBondCriterion。
  • 自由基 Voronoi — 自由基曲面细分、域和空隙分析以及电子密度电荷积分。涵盖 RadicalVoronoi、VoronoiIntegration、voronoi_domains 和 voronoi_voids。

动力学

  • 扩散与离子输运 — 从随机行走和 Einstein 关系出发，覆盖均方位移、自身扩散与区别扩散（平均位移关联, MDC）、Onsager 唯象系数，以及两条等效的电导率路径（PMSD / 电流 ACF）。涵盖 MCDCompute、Onsager、PMSDCompute、JACF 和 IonicConductivity。
  • 速度自相关与 VDOS — 速度记忆函数：气/液/固特征与笼效应、扩散系数的 Green–Kubo 路径以及通过 Fourier 变换的振动态密度。涵盖 compute_acf 和 PowerSpectrum。
  • Van Hove 与重取向动力学 — 时间分辨的 \(G(r,t)\) 以及 Legendre 重取向 TCF \(C_1\)/\(C_2\)。涵盖 VanHove 和 LegendreReorientation。
  • 成对持久性 — 驻留时间关联函数：存活指示符、连续 vs 间歇 vs 稳态持久性 (SSP) 定义、配位数以及配对扩散的关系。涵盖 Persist。

光谱学

  • 介电光谱 — \(\varepsilon^*(\omega)\) 和离子电导率 \(\sigma\) 的完整推导：涨落–耗散基础、Einstein–Helfand 和 Green–Kubo 路径、数值实现选项（加窗、FFT、无偏 ACF）、电解液偶极矩分解以及谱拟合方案（Debye、Cole–Cole、Havriliak–Negami）。
  • 源自 MD 的振动光谱 — 基于时间关联函数的 IR、Raman、VDOS、VCD 和 ROA。涵盖 PowerSpectrum、IRSpectrum、RamanSpectrum、VcdSpectrum、RoaSpectrum 和 ResonanceRamanSpectrum。

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