4c58ac84cfb789ffc9bfbeca3857f23154c549e0
[alexxy/gromacs.git] / manual / special.tex
1 %
2 % This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3 %
4 % Copyright (c) 2013, by the GROMACS development team, led by
5 % Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6 % and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7 % top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8 %
9 % GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10 % modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11 % as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12 % of the License, or (at your option) any later version.
13 %
14 % GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15 % but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16 % MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17 % Lesser General Public License for more details.
18 %
19 % You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20 % License along with GROMACS; if not, see
21 % http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22 % Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23 %
24 % If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25 % consider that scientific software is very special. Version
26 % control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27 % consider code for inclusion in the official distribution, but
28 % derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29 % in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30 % official version at http://www.gromacs.org.
31 %
32 % To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33 % the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34
35 \chapter{Special Topics}
36 \label{ch:special}
37
38
39 \section{Free energy implementation}
40 \label{sec:dgimplement}
41 For free energy calculations, there are two things that must be
42 specified; the end states, and the pathway connecting the end states.
43 The end states can be specified in two ways.  The most straightforward
44 is through the specification of end states in the topology file.  Most
45 potential forms support both an $A$ state and a $B$ state. Whenever both
46 states are specified, then the $A$ state corresponds to the initial free
47 energy state, and the $B$ state corresponds to the final state.
48
49 In some cases, the end state can also be defined in some cases without
50 altering the topology, solely through the {\tt .mdp} file, through the use
51 of the {\tt couple-moltype},{\tt couple-lambda0}, {\tt couple-lambda1}, and
52 {\tt couple-intramol} mdp keywords.  Any molecule type selected in
53 {\tt couple-moltype} will automatically have a $B$ state implicitly
54 constructed (and the $A$ state redefined) according to the {\tt couple-lambda}
55 keywords. {\tt couple-lambda0} and {\tt couple-lambda1} define the non-bonded
56 parameters that are present in the $A$ state ({\tt couple-lambda0})
57 and the $B$ state ({\tt couple-lambda1}).  The choices are 'q','vdw', and
58 'vdw-q'; these indicate the Coulombic, van der Waals, or both parameters
59 that are turned on in the respective state.
60
61 Once the end states are defined, then the path between the end states
62 has to be defined. This path is defined solely in the .mdp file.
63 Starting in 4.6, $\lambda$ is a vector of components, with Coulombic,
64 van der Waals, bonded, restraint, and mass components all able to be
65 adjusted independently.  This makes it possible to turn off the
66 Coulombic term linearly, and then the van der Waals using soft core,
67 all in the same simulation.  This is especially useful for replica
68 exchange or expanded ensemble simulations, where it is important to
69 sample all the way from interacting to non-interacting states in the
70 same simulation to improve sampling.
71
72 {\tt fep-lambdas} is the default array of $\lambda$ values ranging
73 from 0 to 1.  All of the other lambda arrays use the values in this
74 array if they are not specified.  The previous behavior, where the
75 pathway is controlled by a single $\lambda$ variable, can be preserved
76 by using only {\tt fep-lambdas} to define the pathway.
77
78 For example, if you wanted to first to change the Coulombic terms,
79 then the van der Waals terms, changing bonded at the same time rate as
80 the van der Wheals, but changing the restraints throughout the first
81 two-thirds of the simulation, then you could use this $\lambda$ vector:
82
83 \begin{verbatim}
84 coul-lambdas           = 0.0 0.2 0.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
85 vdw-lambdas            = 0.0 0.0 0.0 0.0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0
86 bonded-lambdas         = 0.0 0.0 0.0 0.0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0
87 restraint-lambdas      = 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 1.0 1.0
88 \end{verbatim}
89
90 This is also equivalent to:
91
92 \begin{verbatim}
93 fep-lambdas            = 0.0 0.0 0.0 0.0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0
94 coul-lambdas           = 0.0 0.2 0.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
95 restraint-lambdas      = 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 1.0 1.0
96 \end{verbatim}
97 The {\tt fep-lambda array}, in this case, is being used as the default to
98 fill in the bonded and van der Waals $\lambda$ arrays.  Usually, it's best to fill
99 in all arrays explicitly, just to make sure things are properly
100 assigned.
101
102 If you want to turn on only restraints going from $A$ to $B$, then it would be:
103 \begin{verbatim}
104 restraint-lambdas      = 0.0 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0
105 \end{verbatim}
106 and all of the other components of the $\lambda$ vector would be left in the $A$ state.
107
108 To compute free energies with a vector $\lambda$ using
109 thermodynamic integration, then the TI equation becomes vector equation:
110 \beq
111 \Delta F = \int \langle \nabla H \rangle \cdot d\vec{\lambda}
112 \eeq
113 or for finite differences:
114 \beq
115 \Delta F \approx \int \sum \langle \nabla H \rangle \cdot \Delta\lambda
116 \eeq
117
118 The external {\tt pymbar} script downloaded from https://SimTK.org/home/pymbar can
119 compute this integral automatically from the {\gromacs} dhdl.xvg output.
120
121 \section{Potential of mean force}
122
123 A potential of mean force (PMF) is a potential that is obtained
124 by integrating the mean force from an ensemble of configurations.
125 In {\gromacs}, there are several different methods to calculate the mean force.
126 Each method has its limitations, which are listed below.
127 \begin{itemize}
128 \item{\bf pull code:} between the centers of mass of molecules or groups of molecules.
129 \item{\bf free-energy code with harmonic bonds or constraints:} between single atoms. 
130 \item{\bf free-energy code with position restraints:} changing the conformation of a relatively immobile group of atoms.
131 \item{\bf pull code in limited cases:} between groups of atoms that are
132 part of a larger molecule for which the bonds are constrained with
133 SHAKE or LINCS. If the pull group if relatively large,
134 the pull code can be used.
135 \end{itemize}
136 The pull and free-energy code a described in more detail
137 in the following two sections.
138
139 \subsubsection{Entropic effects}
140 When a distance between two atoms or the centers of mass of two groups
141 is constrained or restrained, there will be a purely entropic contribution
142 to the PMF due to the rotation of the two groups~\cite{RMNeumann1980a}.
143 For a system of two non-interacting masses the potential of mean force is:
144 \beq
145 V_{pmf}(r) = -(n_c - 1) k_B T \log(r)
146 \eeq
147 where $n_c$ is the number of dimensions in which the constraint works
148 (i.e. $n_c=3$ for a normal constraint and $n_c=1$ when only
149 the $z$-direction is constrained).
150 Whether one needs to correct for this contribution depends on what
151 the PMF should represent. When one wants to pull a substrate
152 into a protein, this entropic term indeed contributes to the work to
153 get the substrate into the protein. But when calculating a PMF
154 between two solutes in a solvent, for the purpose of simulating
155 without solvent, the entropic contribution should be removed.
156 {\bf Note} that this term can be significant; when at 300K the distance is halved,
157 the contribution is 3.5 kJ~mol$^{-1}$.
158
159 \section{Non-equilibrium pulling}
160 When the distance between two groups is changed continuously,
161 work is applied to the system, which means that the system is no longer
162 in equilibrium. Although in the limit of very slow pulling
163 the system is again in equilibrium, for many systems this limit
164 is not reachable within reasonable computational time.
165 However, one can use the Jarzynski relation~\cite{Jarzynski1997a}
166 to obtain the equilibrium free-energy difference $\Delta G$
167 between two distances from many non-equilibrium simulations:
168 \begin{equation}
169    \Delta G_{AB} = -k_BT \log \left\langle e^{-\beta W_{AB}} \right\rangle_A
170    \label{eq:Jarz}
171 \end{equation}
172 where $W_{AB}$ is the work performed to force the system along one path
173 from state A to B, the angular bracket denotes averaging over
174 a canonical ensemble of the initial state A and $\beta=1/k_B T$.
175
176
177 \section{The pull code}
178 \index{center-of-mass pulling}
179 \label{sec:pull}
180 The pull code applies forces or constraints between the centers
181 of mass of one or more pairs of groups of atoms.
182 Each pull reaction coordinate is called a ``coordinate'' and it operates
183 on two pull groups. A pull group can be part of one or more pull
184 coordinates. Furthermore, a coordinate can also operate on a single group
185 and an absolute reference position in space.
186 The distance between a pair of groups can be determined
187 in 1, 2 or 3 dimensions, or can be along a user-defined vector.
188 The reference distance can be constant or can change linearly with time.
189 Normally all atoms are weighted by their mass, but an additional
190 weighting factor can also be used.
191 \begin{figure}
192 \centerline{\includegraphics[width=6cm,angle=270]{plots/pull}}
193 \caption{Schematic picture of pulling a lipid out of a lipid bilayer
194 with umbrella pulling. $V_{rup}$ is the velocity at which the spring is
195 retracted, $Z_{link}$ is the atom to which the spring is attached and
196 $Z_{spring}$ is the location of the spring.}
197 \label{fi:pull} 
198 \end{figure}
199
200 Three different types of calculation are supported,
201 and in all cases the reference distance can be constant
202 or linearly changing with time.
203 \begin{enumerate}
204 \item{\textbf{Umbrella pulling}\swapindexquiet{umbrella}{pulling}}
205 A harmonic potential is applied between
206 the centers of mass of two groups.
207 Thus, the force is proportional to the displacement.
208 \item{\textbf{Constraint pulling\swapindexquiet{constraint}{pulling}}}
209 The distance between the centers of mass of two groups is constrained.
210 The constraint force can be written to a file.
211 This method uses the SHAKE algorithm but only needs 1 iteration to be
212 exact if only two groups are constrained. 
213 \item{\textbf{Constant force pulling}}
214 A constant force is applied between the centers of mass of two groups.
215 Thus, the potential is linear.
216 In this case there is no reference distance of pull rate.
217 \end{enumerate}
218
219 \subsubsection{Definition of the center of mass}
220
221 In {\gromacs}, there are three ways to define the center of mass of a group.
222 The standard way is a ``plain'' center of mass, possibly with additional
223 weighting factors. With periodic boundary conditions it is no longer
224 possible to uniquely define the center of mass of a group of atoms.
225 Therefore, a reference atom is used. For determining the center of mass,
226 for all other atoms in the group, the closest periodic image to the reference
227 atom is used. This uniquely defines the center of mass.
228 By default, the middle (determined by the order in the topology) atom
229 is used as a reference atom, but the user can also select any other atom
230 if it would be closer to center of the group.
231
232 For a layered system, for instance a lipid bilayer, it may be of interest
233 to calculate the PMF of a lipid as function of its distance
234 from the whole bilayer. The whole bilayer can be taken as reference
235 group in that case, but it might also be of interest to define the
236 reaction coordinate for the PMF more locally. The {\tt .mdp} option
237 {\tt pull_geometry = cylinder} does not
238 use all the atoms of the reference group, but instead dynamically only those
239 within a cylinder with radius {\tt r_1} around the pull vector going
240 through the pull group. This only
241 works for distances defined in one dimension, and the cylinder is
242 oriented with its long axis along this one dimension. A second cylinder
243 can be defined with {\tt r_0}, with a linear switch function that weighs
244 the contribution of atoms between {\tt r_0} and {\tt r_1} with
245 distance. This smooths the effects of atoms moving in and out of the
246 cylinder (which causes jumps in the pull forces).
247
248 \begin{figure}
249 \centerline{\includegraphics[width=6cm]{plots/pullref}}
250 \caption{Comparison of a plain center of mass reference group versus a cylinder
251 reference group applied to interface systems. C is the reference group.
252 The circles represent the center of mass of two groups plus the reference group,
253 $d_c$ is the reference distance.}
254 \label{fi:pullref} 
255 \end{figure}   
256
257 For a group of molecules in a periodic system, a plain reference group
258 might not be well-defined. An example is a water slab that is connected
259 periodically in $x$ and $y$, but has two liquid-vapor interfaces along $z$.
260 In such a setup, water molecules can evaporate from the liquid and they
261 will move through the vapor, through the periodic boundary, to the other
262 interface. Such a system is inherently periodic and there is no proper way
263 of defining a ``plain'' center of mass along $z$. A proper solution is to using
264 a cosine shaped weighting profile for all atoms in the reference group.
265 The profile is a cosine with a single period in the unit cell. Its phase
266 is optimized to give the maximum sum of weights, including mass weighting.
267 This provides a unique and continuous reference position that is nearly
268 identical to the plain center of mass position in case all atoms are all
269 within a half of the unit-cell length. See ref \cite{Engin2010a} for details.
270
271 When relative weights $w_i$ are used during the calculations, either
272 by supplying weights in the input or due to cylinder geometry
273 or due to cosine weighting,
274 the weights need to be scaled to conserve momentum:
275 \beq
276 w'_i = w_i
277 \left. \sum_{j=1}^N w_j \, m_j \right/ \sum_{j=1}^N w_j^2 \, m_j
278 \eeq
279 where $m_j$ is the mass of atom $j$ of the group.
280 The mass of the group, required for calculating the constraint force, is:
281 \beq
282 M = \sum_{i=1}^N w'_i \, m_i
283 \eeq
284 The definition of the weighted center of mass is:
285 \beq
286 \ve{r}_{com} = \left. \sum_{i=1}^N w'_i \, m_i \, \ve{r}_i \right/ M
287 \eeq
288 From the centers of mass the AFM, constraint, or umbrella force $\ve{F}_{\!com}$
289 on each group can be calculated.
290 The force on the center of mass of a group is redistributed to the atoms
291 as follows:
292 \beq
293 \ve{F}_{\!i} = \frac{w'_i \, m_i}{M} \, \ve{F}_{\!com}
294 \eeq
295
296 \subsubsection{Limitations}
297 There is one theoretical limitation:
298 strictly speaking, constraint forces can only be calculated between
299 groups that are not connected by constraints to the rest of the system.
300 If a group contains part of a molecule of which the bond lengths
301 are constrained, the pull constraint and LINCS or SHAKE bond constraint
302 algorithms should be iterated simultaneously. This is not done in {\gromacs}.
303 This means that for simulations with {\tt constraints = all-bonds}
304 in the {\tt .mdp} file pulling is, strictly speaking,
305 limited to whole molecules or groups of molecules.
306 In some cases this limitation can be avoided by using the free energy code,
307 see \secref{fepmf}.
308 In practice, the errors caused by not iterating the two constraint
309 algorithms can be negligible when the pull group consists of a large
310 amount of atoms and/or the pull force is small.
311 In such cases, the constraint correction displacement of the pull group
312 is small compared to the bond lengths.
313
314
315
316 \section{\normindex{Enforced Rotation}}
317 \index{rotational pulling|see{enforced rotation}}
318 \index{pulling, rotational|see{enforced rotation}}
319 \label{sec:rotation}
320
321 \mathchardef\mhyphen="2D
322 \newcommand{\rotiso     }{^\mathrm{iso}}
323 \newcommand{\rotisopf   }{^\mathrm{iso\mhyphen pf}}
324 \newcommand{\rotpm      }{^\mathrm{pm}}
325 \newcommand{\rotpmpf    }{^\mathrm{pm\mhyphen pf}}
326 \newcommand{\rotrm      }{^\mathrm{rm}}
327 \newcommand{\rotrmpf    }{^\mathrm{rm\mhyphen pf}}
328 \newcommand{\rotrmtwo   }{^\mathrm{rm2}}
329 \newcommand{\rotrmtwopf }{^\mathrm{rm2\mhyphen pf}}
330 \newcommand{\rotflex    }{^\mathrm{flex}}
331 \newcommand{\rotflext   }{^\mathrm{flex\mhyphen t}}
332 \newcommand{\rotflextwo }{^\mathrm{flex2}}
333 \newcommand{\rotflextwot}{^\mathrm{flex2\mhyphen t}}
334
335 This module can be used to enforce the rotation of a group of atoms, as {\eg}
336 a protein subunit. There are a variety of rotation potentials, among them
337 complex ones that allow flexible adaptations of both the rotated subunit as
338 well as the local rotation axis during the simulation. An example application 
339 can be found in ref. \cite{Kutzner2011}.
340
341 \begin{figure}
342 \centerline{\includegraphics[width=13cm]{plots/rotation.pdf}}
343 \caption[Fixed and flexible axis rotation]{Comparison of fixed and flexible axis
344 rotation. 
345 {\sf A:} Rotating the sketched shape inside the white tubular cavity can create
346 artifacts when a fixed rotation axis (dashed) is used. More realistically, the
347 shape would revolve like a flexible pipe-cleaner (dotted) inside the bearing (gray). 
348 {\sf B:} Fixed rotation around an axis \ve{v} with a pivot point
349 specified by the vector \ve{u}. 
350 {\sf C:} Subdividing the rotating fragment into slabs with separate rotation
351 axes ($\uparrow$) and pivot points ($\bullet$) for each slab allows for
352 flexibility. The distance between two slabs with indices $n$ and $n+1$ is $\Delta x$.}
353 \label{fig:rotation}
354 \end{figure}
355
356 \begin{figure}
357 \centerline{\includegraphics[width=13cm]{plots/equipotential.pdf}}
358 \caption{Selection of different rotation potentials and definition of notation.
359 All four potentials $V$ (color coded) are shown for a single atom at position
360 $\ve{x}_j(t)$.
361 {\sf A:} Isotropic potential $V\rotiso$,
362 {\sf B:} radial motion potential $V\rotrm$ and flexible potential
363 $V\rotflex$,
364 {\sf C--D:} radial motion\,2 potential $V\rotrmtwo$ and
365 flexible\,2 potential $V\rotflextwo$ for $\epsilon' = 0$\,nm$^2$ {\sf (C)}
366 and $\epsilon' = 0.01$\,nm$^2$ {\sf (D)}. The rotation axis is perpendicular to
367 the plane and marked by $\otimes$. The light gray contours indicate Boltzmann factors
368 $e^{-V/(k_B T)}$ in the $\ve{x}_j$-plane for $T=300$\,K and
369 $k=200$\,kJ/(mol$\cdot$nm$^2$). The green arrow shows the direction of the
370 force $\ve{F}_{\!j}$ acting on atom $j$; the blue dashed line indicates the
371 motion of the reference position.}
372 \label{fig:equipotential}
373 \end{figure}
374
375 \subsection{Fixed Axis Rotation}
376 \subsubsection{Stationary Axis with an Isotropic Potential}
377 In the fixed axis approach (see \figref{rotation}B), torque on a group of $N$
378 atoms with positions $\ve{x}_i$ (denoted ``rotation group'') is applied by
379 rotating a reference set of atomic positions -- usually their initial positions
380 $\ve{y}_i^0$ -- at a constant angular velocity $\omega$ around an axis
381 defined by a direction vector $\hat{\ve{v}}$ and a pivot point \ve{u}.
382 To that aim, each atom with position $\ve{x}_i$ is attracted by a
383 ``virtual spring'' potential to its moving reference position
384 $\ve{y}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{u})$,
385 where $\mathbf{\Omega}(t)$ is a matrix that describes the rotation around the
386 axis. In the simplest case, the ``springs'' are described by a harmonic
387 potential,
388 \beq
389 V\rotiso = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[ \mathbf{\Omega}(t)
390 (\ve{y}_i^0 - \ve{u}) - (\ve{x}_i - \ve{u})  \right]^2 ,
391 \label{eqn:potiso}
392 \eeq
393 with optional mass-weighted prefactors $w_i = N \, m_i/M$ with total mass
394 $M = \sum_{i=1}^N m_i$.
395 The rotation matrix $\mathbf{\Omega}(t)$ is 
396 \newcommand{\omcost}{\,\xi\,}   % abbreviation
397 \begin{displaymath}
398 \mathbf{\Omega}(t) =  
399 \left(   
400 \begin{array}{ccc}
401 \cos\omega t + v_x^2\omcost       & v_x v_y\omcost - v_z\sin\omega t  & v_x v_z\omcost + v_y\sin\omega t\\
402 v_x v_y\omcost + v_z\sin\omega t  & \cos\omega t + v_y^2\omcost       & v_y v_z\omcost - v_x\sin\omega t\\
403 v_x v_z\omcost - v_y\sin\omega t  & v_y v_z\omcost + v_x\sin\omega t  & \cos\omega t + v_z^2\omcost     \\
404 \end{array}
405 \right) ,
406 \end{displaymath}
407 where $v_x$, $v_y$, and $v_z$ are the components of the normalized rotation vector
408 $\hat{\ve{v}}$, and $\omcost := 1-\cos(\omega t)$. As illustrated in
409 \figref{equipotential}A for a single atom $j$, the
410 rotation matrix $\mathbf{\Omega}(t)$ operates on the initial reference positions
411 $\ve{y}_j^0 = \ve{x}_j(t_0)$ of atom $j$ at $t=t_0$. At a later
412 time $t$, the reference position has rotated away from its initial place
413 (along the blue dashed line), resulting in the force
414 \beq
415 \ve{F}_{\!j}\rotiso 
416 = -\nabla_{\!j} \, V\rotiso 
417 = k \, w_j \left[
418 \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_j^0 - \ve{u}) - (\ve{x}_j - \ve{u} ) \right] ,
419 \label{eqn:force_fixed}
420 \eeq
421 which is directed towards the reference position.
422
423
424 \subsubsection{Pivot-Free Isotropic Potential}
425 Instead of a fixed pivot vector \ve{u} this potential uses the center of
426 mass $\ve{x}_c$ of the rotation group as pivot for the rotation axis,
427 \beq
428 \ve{x}_c   = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^N m_i \ve{x}_i 
429 \label{eqn:com}
430 \mbox{\hspace{4ex}and\hspace{4ex}}
431 \ve{y}_c^0 = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^N m_i \ve{y}_i^0 \ ,
432 \eeq
433 which yields the ``pivot-free'' isotropic potential
434 \beq
435 V\rotisopf = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[ \mathbf{\Omega}(t)
436 (\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^0) - (\ve{x}_i - \ve{x}_c) \right]^2 ,
437 \label{eqn:potisopf}
438 \eeq
439 with forces
440 \beq
441 \mathbf{F}_{\!j}\rotisopf = k \, w_j 
442 \left[ 
443 \mathbf{\Omega}(t) ( \ve{y}_j^0 - \ve{y}_c^0) 
444                  - ( \ve{x}_j   - \ve{x}_c )
445 \right] .
446 \label{eqn:force_isopf}
447 \eeq
448 Without mass-weighting, the pivot $\ve{x}_c$ is the geometrical center of
449 the group. 
450 \label{sec:fixed}
451
452 \subsubsection{Parallel Motion Potential Variant}
453 The forces generated by the isotropic potentials
454 (\eqnsref{potiso}{potisopf}) also contain components parallel
455 to the rotation axis and thereby restrain motions along the axis of either the
456 whole rotation group (in case of $V\rotiso$) or within
457 the rotation group (in case of $V\rotisopf$). For cases where
458 unrestrained motion along the axis is preferred, we have implemented a 
459 ``parallel motion'' variant by eliminating all components parallel to the
460 rotation axis for the potential. This is achieved by projecting the distance
461 vectors between reference and actual positions
462 \beq
463 \ve{r}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{u}) - (\ve{x}_i - \ve{u})
464 \eeq
465 onto the plane perpendicular to the rotation vector,
466 \beq
467 \label{eqn:project}
468 \ve{r}_i^\perp :=  \ve{r}_i - (\ve{r}_i \cdot \hat{\ve{v}})\hat{\ve{v}} \ ,
469 \eeq
470 yielding
471 \bea
472 \nonumber
473 V\rotpm &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i ( \ve{r}_i^\perp )^2 \\
474         &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i
475  \left\lbrace
476  \mathbf{\Omega}(t)
477    (\ve{y}_i^0 - \ve{u}) - (\ve{x}_i - \ve{u})  \right. \nonumber \\
478 && \left. - \left\lbrace
479 \left[ \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{u}) - (\ve{x}_i - \ve{u}) \right] \cdot\hat{\ve{v}}
480   \right\rbrace\hat{\ve{v}} \right\rbrace^2 ,
481 \label{eqn:potpm}
482 \eea
483 and similarly
484 \beq
485 \ve{F}_{\!j}\rotpm = k \, w_j \, \ve{r}_j^\perp .
486 \label{eqn:force_pm}
487 \eeq
488
489 \subsubsection{Pivot-Free Parallel Motion Potential}
490 Replacing in \eqnref{potpm} the fixed pivot \ve{u} by the center 
491 of mass $\ve{x_c}$ yields the pivot-free variant of the parallel motion
492 potential. With
493 \beq
494 \ve{s}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^0) - (\ve{x}_i - \ve{x}_c)
495 \eeq
496 the respective potential and forces are
497 \bea
498 V\rotpmpf &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i ( \ve{s}_i^\perp )^2 \ , \\
499 \label{eqn:potpmpf}
500 \ve{F}_{\!j}\rotpmpf &=& k \, w_j \, \ve{s}_j^\perp .
501 \label{eqn:force_pmpf}
502 \eea
503
504 \subsubsection{Radial Motion Potential}
505 In the above variants, the minimum of the rotation potential is either a single
506 point at the reference position $\ve{y}_i$ (for the isotropic potentials) or a
507 single line through $\ve{y}_i$ parallel to the rotation axis (for the
508 parallel motion potentials). As a result, radial forces restrict radial motions
509 of the atoms. The two subsequent types of rotation potentials, $V\rotrm$
510 and $V\rotrmtwo$, drastically reduce or even eliminate this effect. The first
511 variant, $V\rotrm$ (\figref{equipotential}B), eliminates all force
512 components parallel to the vector connecting the reference atom and the
513 rotation axis,
514 \beq
515 V\rotrm = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
516 \ve{p}_i
517 \cdot(\ve{x}_i - \ve{u}) \right]^2 ,
518 \label{eqn:potrm}
519 \eeq
520 with
521 \beq
522 \ve{p}_i := 
523 \frac{\hat{\ve{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{u})} {\| \hat{\ve{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{u})\|} \ .
524 \eeq
525 This variant depends only on the distance $\ve{p}_i \cdot (\ve{x}_i -
526 \ve{u})$ of atom $i$ from the plane spanned by $\hat{\ve{v}}$ and
527 $\mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{u})$. The resulting force is
528 \beq
529 \mathbf{F}_{\!j}\rotrm =
530  -k \, w_j \left[ \ve{p}_j\cdot(\ve{x}_j - \ve{u}) \right] \,\ve{p}_j \,  .
531 \label{eqn:potrm_force}
532 \eeq
533
534 \subsubsection{Pivot-Free Radial Motion Potential}
535 Proceeding similar to the pivot-free isotropic potential yields a pivot-free
536 version of the above potential. With
537 \beq
538 \ve{q}_i := 
539 \frac{\hat{\ve{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^0)} {\| \hat{\ve{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^0)\|} \, ,
540 \eeq
541 the potential and force for the pivot-free variant of the radial motion potential read
542 \bea
543 V\rotrmpf & = & \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
544 \ve{q}_i
545 \cdot(\ve{x}_i - \ve{x}_c)
546 \right]^2 \, , \\
547 \label{eqn:potrmpf}
548 \mathbf{F}_{\!j}\rotrmpf & = &
549  -k \, w_j \left[ \ve{q}_j\cdot(\ve{x}_j - \ve{x}_c) \right] \,\ve{q}_j 
550  + k   \frac{m_j}{M} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
551  \ve{q}_i\cdot(\ve{x}_i - \ve{x}_c) \right]\,\ve{q}_i \, .
552 \label{eqn:potrmpf_force}
553 \eea
554
555 \subsubsection{Radial Motion 2 Alternative Potential}
556 As seen in \figref{equipotential}B, the force resulting from
557 $V\rotrm$ still contains a small, second-order radial component. In most
558 cases, this perturbation is tolerable; if not, the following
559 alternative, $V\rotrmtwo$, fully eliminates the radial contribution to the
560 force, as depicted in \figref{equipotential}C,
561 \beq
562 V\rotrmtwo = 
563 \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i\, 
564 \frac{\left[ (\hat{\ve{v}} \times ( \ve{x}_i - \ve{u} ))
565 \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{u}) \right]^2}
566 {\| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{u}) \|^2 +
567 \epsilon'} \, ,
568 \label{eqn:potrm2}
569 \eeq
570 where a small parameter $\epsilon'$ has been introduced to avoid singularities.
571 For $\epsilon'=0$\,nm$^2$, the equipotential planes are spanned by $\ve{x}_i -
572 \ve{u}$ and $\hat{\ve{v}}$, yielding a force 
573 perpendicular to $\ve{x}_i - \ve{u}$, thus not contracting or
574 expanding structural parts that moved away from or toward the rotation axis.
575
576 Choosing a small positive  $\epsilon'$ ({\eg},
577 $\epsilon'=0.01$\,nm$^2$, \figref{equipotential}D) in the denominator of
578 \eqnref{potrm2} yields a well-defined potential and continuous forces also 
579 close to the rotation axis, which is not the case for $\epsilon'=0$\,nm$^2$ 
580 (\figref{equipotential}C). With
581 \bea
582 \ve{r}_i & := & \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{u})\\
583 \ve{s}_i & := & \frac{\hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i -
584 \ve{u} ) }{ \| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{u})
585 \| } \equiv \; \Psi_{i} \;\; {\hat{\ve{v}} \times
586 (\ve{x}_i-\ve{u} ) }\\
587 \Psi_i^{*}   & := & \frac{1}{ \| \hat{\ve{v}} \times
588 (\ve{x}_i-\ve{u}) \|^2 + \epsilon'}
589 \eea
590 the force on atom $j$ reads
591 \beq
592 \ve{F}_{\!j}\rotrmtwo  = 
593 - k\; 
594 \left\lbrace w_j\;
595 (\ve{s}_j\cdot\ve{r}_{\!j})\;
596 \left[ \frac{\Psi_{\!j}^*   }{\Psi_{\!j}  }  \ve{r}_{\!j} 
597      - \frac{\Psi_{\!j}^{*2}}{\Psi_{\!j}^3}
598      (\ve{s}_j\cdot\ve{r}_{\!j})\ve{s}_j \right]
599 \right\rbrace \times \hat{\ve{v}} .
600 \label{eqn:potrm2_force}
601 \eeq
602
603 \subsubsection{Pivot-Free Radial Motion 2 Potential}
604 The pivot-free variant of the above potential is
605 \beq
606 V\rotrmtwopf = 
607 \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i\, 
608 \frac{\left[ (\hat{\ve{v}} \times ( \ve{x}_i - \ve{x}_c ))
609 \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c) \right]^2}
610 {\| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{x}_c) \|^2 +
611 \epsilon'} \, .
612 \label{eqn:potrm2pf}
613 \eeq
614 With
615 \bea
616 \ve{r}_i & := & \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c)\\
617 \ve{s}_i & := & \frac{\hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i -
618 \ve{x}_c ) }{ \| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{x}_c)
619 \| } \equiv \; \Psi_{i} \;\; {\hat{\ve{v}} \times
620 (\ve{x}_i-\ve{x}_c ) }\\ \Psi_i^{*}   & := & \frac{1}{ \| \hat{\ve{v}} \times
621 (\ve{x}_i-\ve{x}_c) \|^2 + \epsilon'}
622 \eea
623 the force on atom $j$ reads
624 \bea
625 \nonumber
626 \ve{F}_{\!j}\rotrmtwopf & = &
627 - k\; 
628 \left\lbrace w_j\;
629 (\ve{s}_j\cdot\ve{r}_{\!j})\;
630 \left[ \frac{\Psi_{\!j}^*   }{\Psi_{\!j}  } \ve{r}_{\!j} 
631      - \frac{\Psi_{\!j}^{*2}}{\Psi_{\!j}^3}
632      (\ve{s}_j\cdot\ve{r}_{\!j})\ve{s}_j \right]
633 \right\rbrace \times \hat{\ve{v}}\\
634      & &
635 + k\;\frac{m_j}{M} \left\lbrace \sum_{i=1}^{N}
636 w_i\;(\ve{s}_i\cdot\ve{r}_i) \; 
637 \left[ \frac{\Psi_i^*   }{\Psi_i  }  \ve{r}_i
638      - \frac{\Psi_i^{*2}}{\Psi_i^3} (\ve{s}_i\cdot\ve{r}_i )\;
639      \ve{s}_i \right] \right\rbrace \times \hat{\ve{v}} \, .
640 \label{eqn:potrm2pf_force}
641 \eea
642
643 \subsection{Flexible Axis Rotation}
644 As sketched in \figref{rotation}A--B, the rigid body behavior of
645 the fixed axis rotation scheme is a drawback for many applications. In
646 particular, deformations of the rotation group are suppressed when the
647 equilibrium atom positions directly depend on the reference positions. 
648 To avoid this limitation, \eqnsref{potrmpf}{potrm2pf}
649 will now be generalized towards a ``flexible axis'' as sketched in
650 \figref{rotation}C. This will be achieved by subdividing the
651 rotation group into a set of equidistant slabs perpendicular to
652 the rotation vector, and by applying a separate rotation potential to each
653 of these slabs. \figref{rotation}C shows the midplanes of the slabs 
654 as dotted straight lines and the centers as thick black dots.
655
656 To avoid discontinuities in the potential and in the forces, we define
657 ``soft slabs'' by weighing the contributions of each
658 slab $n$ to the total potential function $V\rotflex$ by a Gaussian
659 function
660 \beq
661 \label{eqn:gaussian}
662 g_n(\ve{x}_i) = \Gamma \ \mbox{exp} \left(
663 -\frac{\beta_n^2(\ve{x}_i)}{2\sigma^2}  \right) ,
664 \eeq
665 centered at the midplane of the $n$th slab. Here $\sigma$ is the width
666 of the Gaussian function, $\Delta x$ the distance between adjacent slabs, and
667 \beq
668 \beta_n(\ve{x}_i) := \ve{x}_i \cdot \hat{\ve{v}} - n \, \Delta x \, .
669 \eeq
670 %
671 \begin{figure}
672 \centerline{\includegraphics[width=6.5cm]{plots/gaussians.pdf}}
673 \caption{Gaussian functions $g_n$ centered at $n \, \Delta x$ for a slab
674 distance $\Delta x = 1.5$ nm and $n \geq -2$. Gaussian function $g_0$ is
675 highlighted in bold; the dashed line depicts the sum of the shown Gaussian
676 functions.}
677 \label{fig:gaussians}
678 \end{figure}
679 %
680 A most convenient choice is $\sigma = 0.7 \Delta x$ and
681 \begin{displaymath}
682 1/\Gamma = \sum_{n \in Z}
683 \mbox{exp}
684 \left(-\frac{(n - \frac{1}{4})^2}{2\cdot 0.7^2}\right)
685 \approx 1.75464 \, ,
686 \end{displaymath}
687 which yields a nearly constant sum, essentially independent of $\ve{x}_i$
688 (dashed line in \figref{gaussians}), {\ie},
689 \beq
690 \sum_{n \in Z} g_n(\ve{x}_i) =  1 + \epsilon(\ve{x}_i) \, ,
691 \label{eqn:normal}
692 \eeq
693 with $ | \epsilon(\ve{x}_i) | < 1.3\cdot 10^{-4}$. This choice also
694 implies that the individual contributions to the force from the slabs add up to
695 unity such that no further normalization is required.
696
697 To each slab center $\ve{x}_c^n$, all atoms contribute by their
698 Gaussian-weighted (optionally also mass-weighted) position vectors 
699 $g_n(\ve{x}_i) \, \ve{x}_i$. The
700 instantaneous slab centers $\ve{x}_c^n$ are calculated from the
701 current positions $\ve{x}_i$,
702 \beq
703 \label{eqn:defx0} 
704 \ve{x}_c^n =
705 \frac{\sum_{i=1}^N g_n(\ve{x}_i) \, m_i \, \ve{x}_i}
706      {\sum_{i=1}^N g_n(\ve{x}_i) \, m_i} \, ,\\
707 \eeq
708 while the reference centers $\ve{y}_c^n$ are calculated from the reference 
709 positions $\ve{y}_i^0$,
710 \beq
711 \label{eqn:defy0}
712 \ve{y}_c^n =
713 \frac{\sum_{i=1}^N g_n(\ve{y}_i^0) \, m_i \, \ve{y}_i^0}
714      {\sum_{i=1}^N g_n(\ve{y}_i^0) \, m_i} \, .
715 \eeq
716 Due to the rapid decay of $g_n$, each slab
717 will essentially involve contributions from atoms located within $\approx
718 3\Delta x$ from the slab center only.
719
720 \subsubsection{Flexible Axis Potential}
721 We consider two flexible axis variants. For the first variant,
722 the slab segmentation procedure with Gaussian weighting is applied to the radial 
723 motion potential (\eqnref{potrmpf}\,/\,\figref{equipotential}B),
724 yielding as the contribution of slab $n$
725 \begin{displaymath}
726 V^n = 
727 \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\ve{x}_i) 
728 \left[
729 \ve{q}_i^n
730 \cdot
731  (\ve{x}_i - \ve{x}_c^n) 
732 \right]^2  ,
733 \label{eqn:flexpot}
734 \end{displaymath}
735 and a total potential function
736 \beq 
737 V\rotflex = \sum_n V^n \, .
738 \label{eqn:potflex}
739 \eeq
740 Note that the global center of mass $\ve{x}_c$ used in
741 \eqnref{potrmpf} is now replaced by $\ve{x}_c^n$, the center of mass of
742 the slab. With
743 \bea
744 \ve{q}_i^n & := & \frac{\hat{\ve{v}} \times
745 \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^n) }{ \| \hat{\ve{v}}
746 \times \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^n) \| } \\
747 b_i^n         & := & \ve{q}_i^n \cdot (\ve{x}_i - \ve{x}_c^n) \, ,
748 \eea
749 the resulting force on atom $j$ reads
750 \bea
751 \nonumber\hspace{-15mm}
752 \ve{F}_{\!j}\rotflex &=&
753 - \, k \, w_j \sum_n g_n(\ve{x}_j) \, b_j^n \left\lbrace  \ve{q}_j^n -
754 b_j^n \frac{\beta_n(\ve{x}_j)}{2\sigma^2} \hat{\ve{v}} \right\rbrace \\ & &
755 + \, k \, m_j \sum_n \frac{g_n(\ve{x}_j)}{\sum_h g_n(\ve{x}_h)}
756 \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\ve{x}_i) \, b_i^n \left\lbrace 
757 \ve{q}_i^n -\frac{\beta_n(\ve{x}_j)}{\sigma^2}
758 \left[ \ve{q}_i^n \cdot (\ve{x}_j - \ve{x}_c^n )\right]
759 \hat{\ve{v}} \right\rbrace .
760 \label{eqn:potflex_force}
761 \eea
762 %
763 Note that for $V\rotflex$, as defined, the slabs are fixed in space and so
764 are the reference centers $\ve{y}_c^n$. If during the simulation the
765 rotation group moves too far in $\ve{v}$ direction, it may enter a
766 region where -- due to the lack of nearby reference positions -- no reference
767 slab centers are defined, rendering the potential evaluation impossible. 
768 We therefore have included a slightly modified version of this potential that
769 avoids this problem by attaching the midplane of slab $n=0$ to the center of mass 
770 of the rotation group, yielding slabs that move with the rotation group. 
771 This is achieved by subtracting the center of mass $\ve{x}_c$ of the
772 group from the positions, 
773 \beq
774 \tilde{\ve{x}}_i = \ve{x}_i - \ve{x}_c \, , \mbox{\ \ \ and \ \ } 
775 \tilde{\ve{y}}_i^0 = \ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^0 \, ,
776 \label{eqn:trafo} 
777 \eeq
778 such that
779 \bea
780 V\rotflext 
781   & = & \frac{k}{2} \sum_n \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\tilde{\ve{x}}_i)
782   \left[ \frac{\hat{\ve{v}} \times \mathbf{\Omega}(t)(\tilde{\ve{y}}_i^0
783   - \tilde{\ve{y}}_c^n) }{ \| \hat{\ve{v}} \times
784 \mathbf{\Omega}(t)(\tilde{\ve{y}}_i^0 -
785 \tilde{\ve{y}}_c^n) \| }
786 \cdot
787  (\tilde{\ve{x}}_i - \tilde{\ve{x}}_c^n) 
788 \right]^2 .
789 \label{eqn:potflext}
790 \eea
791 To simplify the force derivation, and for efficiency reasons, we here assume
792 $\ve{x}_c$ to be constant, and thus $\partial \ve{x}_c / \partial x =
793 \partial \ve{x}_c / \partial y = \partial \ve{x}_c / \partial z = 0$. The
794 resulting force error is small (of order $O(1/N)$ or $O(m_j/M)$ if
795 mass-weighting is applied) and can therefore be tolerated. With this assumption,
796 the forces $\ve{F}\rotflext$ have the same form as
797 \eqnref{potflex_force}.
798
799 \subsubsection{Flexible Axis 2 Alternative Potential}
800 In this second variant, slab segmentation is applied to $V\rotrmtwo$
801 (\eqnref{potrm2pf}), resulting in a flexible axis potential without radial
802 force contributions (\figref{equipotential}C),
803 \beq
804 V\rotflextwo = 
805 \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} \sum_n w_i\,g_n(\ve{x}_i) 
806 \frac{\left[ (\hat{\ve{v}} \times ( \ve{x}_i - \ve{x}_c^n ))
807 \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^n) \right]^2}
808 {\| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{x}_c^n) \|^2 +
809 \epsilon'} \, .
810 \label{eqn:potflex2}
811 \eeq
812 With
813 \bea
814 \ve{r}_i^n & := & \mathbf{\Omega}(t)(\ve{y}_i^0 - \ve{y}_c^n)\\
815 \ve{s}_i^n & := & \frac{\hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i -
816 \ve{x}_c^n ) }{ \| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i - \ve{x}_c^n)
817 \| } \equiv \; \psi_{i} \;\; {\hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i-\ve{x}_c^n ) }\\
818 \psi_i^{*}     & := & \frac{1}{ \| \hat{\ve{v}} \times (\ve{x}_i-\ve{x}_c^n) \|^2 + \epsilon'}\\ 
819 W_j^n          & := & \frac{g_n(\ve{x}_j)\,m_j}{\sum_h g_n(\ve{x}_h)\,m_h}\\
820 \ve{S}^n   & := & 
821 \sum_{i=1}^{N} w_i\;g_n(\ve{x}_i)
822 \; (\ve{s}_i^n\cdot\ve{r}_i^n)
823 \left[ \frac{\psi_i^*   }{\psi_i  }  \ve{r}_i^n
824      - \frac{\psi_i^{*2}}{\psi_i^3} (\ve{s}_i^n\cdot\ve{r}_i^n )\;
825      \ve{s}_i^n \right] \label{eqn:Sn}
826 \eea
827 the force on atom $j$ reads
828 \bea
829 \nonumber
830 \ve{F}_{\!j}\rotflextwo & = &
831 - k\; 
832 \left\lbrace \sum_n w_j\;g_n(\ve{x}_j)\;
833 (\ve{s}_j^n\cdot\ve{r}_{\!j}^n)\;
834 \left[ \frac{\psi_j^*   }{\psi_j  }  \ve{r}_{\!j}^n 
835      - \frac{\psi_j^{*2}}{\psi_j^3} (\ve{s}_j^n\cdot\ve{r}_{\!j}^n)\;
836      \ve{s}_{\!j}^n \right] \right\rbrace \times \hat{\ve{v}} \\
837 \nonumber
838 & &
839 + k \left\lbrace \sum_n W_{\!j}^n \, \ve{S}^n \right\rbrace \times
840 \hat{\ve{v}}
841 - k \left\lbrace \sum_n W_{\!j}^n \; \frac{\beta_n(\ve{x}_j)}{\sigma^2} \frac{1}{\psi_j}\;\; 
842 \ve{s}_j^n \cdot 
843 \ve{S}^n \right\rbrace \hat{\ve{v}}\\ 
844 & & 
845 + \frac{k}{2} \left\lbrace \sum_n w_j\;g_n(\ve{x}_j)
846 \frac{\beta_n(\ve{x}_j)}{\sigma^2} 
847 \frac{\psi_j^*}{\psi_j^2}( \ve{s}_j^n \cdot \ve{r}_{\!j}^n )^2 \right\rbrace
848 \hat{\ve{v}} .
849 \label{eqn:potflex2_force}
850 \eea
851
852 Applying transformation (\ref{eqn:trafo}) yields a ``translation-tolerant''
853 version of the flexible\,2 potential, $V\rotflextwot$. Again,
854 assuming that $\partial \ve{x}_c / \partial x$,  $\partial \ve{x}_c /
855 \partial y$, $\partial \ve{x}_c / \partial z$ are small, the
856 resulting equations for $V\rotflextwot$ and $\ve{F}\rotflextwot$ are
857 similar to those of $V\rotflextwo$ and $\ve{F}\rotflextwo$.
858
859 \subsection{Usage}
860 To apply enforced rotation, the particles $i$ that are to
861 be subjected to one of the rotation potentials are defined via index groups
862 {\tt rot\_group0}, {\tt rot\_group1}, etc., in the {\tt .mdp} input file. 
863 The reference positions $\ve{y}_i^0$ are
864 read from a special {\tt .trr} file provided to {\tt grompp}. If no such file is found,
865 $\ve{x}_i(t=0)$ are used as reference positions and written to {\tt .trr} such
866 that they can be used for subsequent setups. All parameters of the potentials
867 such as $k$, $\epsilon'$, etc. (\tabref{vars}) are provided as {\tt .mdp}
868 parameters; {\tt rot\_type} selects the type of the potential. 
869 The option {\tt rot\_massw} allows to choose whether or not to use
870 mass-weighted averaging. 
871 For the flexible potentials, a cutoff value $g_n^\mathrm{min}$ 
872 (typically  $g_n^\mathrm{min}=0.001$) makes shure that only
873 significant contributions to $V$ and \ve{F} are evaluated, {\ie} terms with 
874 $g_n(\ve{x}) < g_n^\mathrm{min}$ are omitted.
875 \tabref{quantities} summarizes observables that are written
876 to additional output files and which are described below.
877
878
879 \begin{table}[tbp]
880 \caption{Parameters used by the various rotation potentials.
881 {\sf x}'s indicate which parameter is actually used for a given potential.}
882 %\small
883
884 \newcommand{\kunit}{$\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol} \cdot \mathrm{nm}^2}$}
885 \newcommand{\smtt}[1]{{\hspace{-0.5ex}\small #1\hspace{-0.5ex}}}
886 \label{tab:vars}
887 \begin{center}
888 \begin{tabular}{l>{$}l<{$}rccccccc}
889 \hline
890 parameter           &               &                      & $k$      & $\hat{\ve{v}}$ & $\ve{u}$     & $\omega$    & $\epsilon'$ & $\Delta x$        & $g_n^\mathrm{min}$ \\
891 \multicolumn{3}{l}{{\tt .mdp} input variable name}         & \smtt{k} & \smtt{vec}     & \smtt{pivot} & \smtt{rate} & \smtt{eps}  & \smtt{slab\_dist} & \smtt{min\_gauss}  \\
892 unit                &               &                      & \kunit   & -              & nm           & $^\circ$/ps & nm$^2$      & nm                & \,-\,              \\[1mm]
893 \hline \multicolumn{2}{l}{fixed axis potentials:} & eqn.\\
894 isotropic           & V\rotiso      & (\ref{eqn:potiso})   & {\sf x}  & {\sf x}        & {\sf x}      & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
895 --- pivot-free      & V\rotisopf    & (\ref{eqn:potisopf}) & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
896 parallel motion     & V\rotpm       & (\ref{eqn:potpm})    & {\sf x}  & {\sf x}        & {\sf x}      & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
897 --- pivot-free      & V\rotpmpf     & (\ref{eqn:potpmpf})  & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
898 radial motion       & V\rotrm       & (\ref{eqn:potrm})    & {\sf x}  & {\sf x}        & {\sf x}      & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
899 --- pivot-free      & V\rotrmpf     & (\ref{eqn:potrmpf})  & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & -           & -                 &  -                 \\
900 radial motion\,2    & V\rotrmtwo    & (\ref{eqn:potrm2})   & {\sf x}  & {\sf x}        & {\sf x}      & {\sf x}     & {\sf x}     & -                 &  -                 \\
901 --- pivot-free      & V\rotrmtwopf  & (\ref{eqn:potrm2pf}) & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & {\sf x}     & -                 &  -                 \\ \hline
902 \multicolumn{2}{l}{flexible axis potentials:}  & eqn.\\
903 flexible            & V\rotflex     & (\ref{eqn:potflex})  & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & -           & {\sf x}           &  {\sf x}           \\
904 --- transl. tol.    & V\rotflext    & (\ref{eqn:potflext}) & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & -           & {\sf x}           &  {\sf x}           \\
905 flexible\,2         & V\rotflextwo  & (\ref{eqn:potflex2}) & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & {\sf x}     & {\sf x}           &  {\sf x}           \\
906 --- transl. tol.    & V\rotflextwot &  -                   & {\sf x}  & {\sf x}        & -            & {\sf x}     & {\sf x}     & {\sf x}           &  {\sf x}           \\
907 \hline
908 \end{tabular}
909 \end{center}
910 \end{table}
911
912 \begin{table}
913 \caption{Quantities recorded in output files during enforced rotation simulations.
914 All slab-wise data is written every {\tt nstsout} steps, other rotation data every {\tt nstrout} steps.}
915 \label{tab:quantities}
916 \begin{center}
917 \begin{tabular}{llllcc}
918 \hline
919 quantity                                             & unit    & equation                          & output file     & fixed   & flexible\\ \hline
920 $V(t)$                                               & kJ/mol  & see \ref{tab:vars}                & {\tt rotation}  & {\sf x} & {\sf x} \\
921 $\theta_\mathrm{ref}(t)$                             & degrees & $\theta_\mathrm{ref}(t)=\omega t$ & {\tt rotation}  & {\sf x} & {\sf x} \\
922 $\theta_\mathrm{av}(t)$                              & degrees & (\ref{eqn:avangle})               & {\tt rotation}  & {\sf x} & -       \\
923 $\theta_\mathrm{fit}(t)$, $\theta_\mathrm{fit}(t,n)$ & degrees & (\ref{eqn:rmsdfit})               & {\tt rotangles} & -       & {\sf x} \\
924 $\ve{y}_0(n)$, $\ve{x}_0(t,n)$                       & nm      & (\ref{eqn:defx0}, \ref{eqn:defy0})& {\tt rotslabs}  & -       & {\sf x} \\
925 $\tau(t)$                                            & kJ/mol  & (\ref{eqn:torque})                & {\tt rotation}  & {\sf x} & -       \\
926 $\tau(t,n)$                                          & kJ/mol  & (\ref{eqn:torque})                & {\tt rottorque} & -       & {\sf x} \\ \hline
927 \end{tabular}
928 \end{center}
929 \end{table}
930
931
932 \subsubsection*{Angle of Rotation Groups: Fixed Axis}
933 For fixed axis rotation, the average angle $\theta_\mathrm{av}(t)$ of the 
934 group relative to the reference group is determined via the distance-weighted
935 angular deviation of all rotation group atoms from their reference positions,
936 \beq
937 \theta_\mathrm{av} = \left. \sum_{i=1}^{N} r_i \ \theta_i \right/ \sum_{i=1}^N r_i \ .
938 \label{eqn:avangle}
939 \eeq
940 Here, $r_i$ is the distance of the reference position to the rotation axis, and
941 the difference angles $\theta_i$ are determined from the atomic positions, 
942 projected onto a plane perpendicular to the rotation axis through pivot point
943 $\ve{u}$ (see \eqnref{project} for the definition of $\perp$),
944 \beq
945 \cos \theta_i = 
946 \frac{(\ve{y}_i-\ve{u})^\perp \cdot (\ve{x}_i-\ve{u})^\perp}
947      { \| (\ve{y}_i-\ve{u})^\perp \cdot (\ve{x}_i-\ve{u})^\perp
948      \| } \ .
949 \eeq
950 %
951 The sign of $\theta_\mathrm{av}$ is chosen such that
952 $\theta_\mathrm{av} > 0$ if the actual structure rotates ahead of the reference.
953
954 \subsubsection*{Angle of Rotation Groups: Flexible Axis}
955 For flexible axis rotation, two outputs are provided, the angle of the
956 entire rotation group, and separate angles for the segments in the slabs.
957 The angle of the entire rotation group is determined by an RMSD fit 
958 of $\ve{x}_i$
959 to the reference positions $\ve{y}_i^0$ at $t=0$, yielding $\theta_\mathrm{fit}$
960 as the angle by which the reference has to be rotated around $\hat{\ve{v}}$ 
961 for the optimal fit,
962 \beq
963 \mathrm{RMSD} \big( \ve{x}_i,\ \mathbf{\Omega}(\theta_\mathrm{fit})
964 \ve{y}_i^0 \big) \stackrel{!}{=} \mathrm{min} \, .
965 \label{eqn:rmsdfit}
966 \eeq
967 To determine the local angle for each slab $n$, both reference and actual
968 positions are weighted with the Gaussian function of slab $n$, and 
969 $\theta_\mathrm{fit}(t,n)$ is calculated as in \eqnref{rmsdfit}) from the
970 Gaussian-weighted positions.
971
972 For all angles, the {\tt .mdp} input option {\tt rot\_fit\_method} controls
973 whether a normal RMSD fit is performed or whether for the fit each
974 position $\ve{x}_i$ is put at the same distance to the rotation axis as its
975 reference counterpart $\ve{y}_i^0$. In the latter case, the RMSD
976 measures only angular differences, not radial ones.
977
978
979 \subsubsection*{Angle Determination by Searching the Energy Minimum}
980 Alternatively, for {\tt rot\_fit\_method = potential}, the angle of the rotation 
981 group is determined as the angle for which the rotation potential energy is minimal.
982 Therefore, the used rotation potential is additionally evaluated for a set of angles
983 around the current reference angle. In this case, the {\tt rotangles.log} output file
984 contains the values of the rotation potential at the chosen set of angles, while 
985 {\tt rotation.xvg} lists the angle with minimal potential energy.
986
987
988 \subsubsection*{Torque}
989 \label{torque}
990 The torque $\ve{\tau}(t)$ exerted by the rotation potential is calculated for fixed
991 axis rotation via
992 \beq
993 \ve{\tau}(t) = \sum_{i=1}^{N} \ve{r}_i(t) \times \ve{f}_{\!i}^\perp(t) ,
994 \label{eqn:torque}
995 \eeq
996 where $\ve{r}_i(t)$ is the distance vector from the rotation axis to
997 $\ve{x}_i(t)$ and $\ve{f}_{\!i}^\perp(t)$ is the force component
998 perpendicular to $\ve{r}_i(t)$ and $\hat{\ve{v}}$. For flexible axis
999 rotation, torques $\ve{\tau}_{\!n}$ are calculated for each slab using the
1000 local rotation axis of the slab and the Gaussian-weighted positions.
1001
1002
1003
1004 \section{Calculating a PMF using the free-energy code}
1005 \label{sec:fepmf}
1006 \index{potentials of mean force}
1007 \index{free energy calculations}
1008 The free-energy coupling-parameter approach (see~\secref{fecalc})
1009 provides several ways to calculate potentials of mean force.
1010 A potential of mean force between two atoms can be calculated
1011 by connecting them with a harmonic potential or a constraint.
1012 For this purpose there are special potentials that avoid the generation of
1013 extra exclusions, see~\secref{excl}.
1014 When the position of the minimum or the constraint length is 1 nm more
1015 in state B than in state A, the restraint or constraint force is given
1016 by $\partial H/\partial \lambda$.
1017 The distance between the atoms can be changed as a function of $\lambda$
1018 and time by setting {\tt delta-lambda} in the {\tt .mdp} file.
1019 The results should be identical (although not numerically
1020 due to the different implementations) to the results of the pull code
1021 with umbrella sampling and constraint pulling.
1022 Unlike the pull code, the free energy code can also handle atoms that
1023 are connected by constraints.
1024
1025 Potentials of mean force can also be calculated using position restraints.
1026 With position restraints, atoms can be linked to a position in space
1027 with a harmonic potential (see \ssecref{positionrestraint}).
1028 These positions can be made a function of the coupling parameter $\lambda$.
1029 The positions for the A and the B states are supplied to {\tt grompp} with
1030 the {\tt -r} and {\tt -rb} options, respectively.
1031 One could use this approach to do \normindex{targeted MD};
1032 note that we do not encourage the use of targeted MD for proteins.
1033 A protein can be forced from one conformation to another by using
1034 these conformations as position restraint coordinates for state A and B.
1035 One can then slowly change $\lambda$ from 0 to 1.
1036 The main drawback of this approach is that the conformational freedom
1037 of the protein is severely limited by the position restraints,
1038 independent of the change from state A to B.
1039 Also, the protein is forced from state A to B in an almost straight line,
1040 whereas the real pathway might be very different.
1041 An example of a more fruitful application is a solid system or a liquid
1042 confined between walls where one wants to measure the force required
1043 to change the separation between the boundaries or walls.
1044 Because the boundaries (or walls) already need to be fixed,
1045 the position restraints do not limit the system in its sampling.
1046
1047 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1048 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1049 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1050 \newcommand{\amine}{\sf -NH$_2$}
1051 \newcommand{\amines}{\sf -NH-}
1052 \newcommand{\aminep}{\sf -NH$_3^+$}
1053 \section{Removing fastest \swapindex{degrees of}{freedom}}
1054 \label{sec:rmfast}
1055 The maximum time step in MD simulations is limited by the smallest
1056 oscillation period that can be found in the simulated
1057 system. Bond-stretching vibrations are in their quantum-mechanical
1058 ground state and are therefore better represented by a constraint 
1059 instead of a harmonic potential.
1060
1061 For the remaining degrees of freedom, the shortest oscillation period
1062 (as measured from a simulation) is 13~fs for bond-angle vibrations
1063 involving hydrogen atoms. Taking as a guideline that with a Verlet
1064 (leap-frog) integration scheme a minimum of 5 numerical integration
1065 steps should be performed per period of a harmonic oscillation in
1066 order to integrate it with reasonable accuracy, the maximum time step
1067 will be about 3~fs. Disregarding these very fast oscillations of
1068 period 13~fs, the next shortest periods are around 20~fs, which will
1069 allow a maximum time step of about 4~fs.
1070
1071 Removing the bond-angle degrees of freedom from hydrogen atoms can
1072 best be done by defining them as \normindex{virtual interaction sites}
1073 instead of normal atoms. Whereas a normal atom is connected to the molecule
1074 with bonds, angles and dihedrals, a virtual site's position is calculated
1075 from the position of three nearby heavy atoms in a predefined manner
1076 (see also \secref{virtual_sites}). For the hydrogens in water and in
1077 hydroxyl, sulfhydryl, or amine groups, no degrees of freedom can be
1078 removed, because rotational freedom should be preserved. The only
1079 other option available to slow down these motions is to increase the
1080 mass of the hydrogen atoms at the expense of the mass of the connected
1081 heavy atom. This will increase the moment of inertia of the water
1082 molecules and the hydroxyl, sulfhydryl, or amine groups, without
1083 affecting the equilibrium properties of the system and without
1084 affecting the dynamical properties too much. These constructions will
1085 shortly be described in \secref{vsitehydro} and have previously
1086 been described in full detail~\cite{feenstra99}.
1087
1088 Using both virtual sites and \swapindex{modified}{mass}es, the next
1089 bottleneck is likely to be formed by the improper dihedrals (which are
1090 used to preserve planarity or chirality of molecular groups) and the
1091 peptide dihedrals. The peptide dihedral cannot be changed without
1092 affecting the physical behavior of the protein. The improper dihedrals
1093 that preserve planarity mostly deal with aromatic residues. Bonds,
1094 angles, and dihedrals in these residues can also be replaced with
1095 somewhat elaborate virtual site constructions.
1096
1097 All modifications described in this section can be performed using the
1098 {\gromacs} topology building tool {\tt \normindex{pdb2gmx}}. Separate
1099 options exist to increase hydrogen masses, virtualize all hydrogen atoms,
1100 or also virtualize all aromatic residues. {\bf Note} that when all hydrogen
1101 atoms are virtualized, those inside the aromatic residues will be
1102 virtualized as well, {\ie} hydrogens in the aromatic residues are treated
1103 differently depending on the treatment of the aromatic residues.
1104
1105 Parameters for the virtual site constructions for the hydrogen atoms are
1106 inferred from the force field parameters ({\em vis}. bond lengths and
1107 angles) directly by {\tt \normindex{grompp}} while processing the
1108 topology file.  The constructions for the aromatic residues are based
1109 on the bond lengths and angles for the geometry as described in the
1110 force fields, but these parameters are hard-coded into {\tt
1111 \normindex{pdb2gmx}} due to the complex nature of the construction
1112 needed for a whole aromatic group.
1113
1114 \subsection{Hydrogen bond-angle vibrations}
1115 \label{sec:vsitehydro}
1116 \subsubsection{Construction of virtual sites} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1117 \begin{figure}
1118 \centerline{\includegraphics[width=11cm]{plots/dumtypes}}
1119 \caption[Virtual site constructions for hydrogen atoms.]{The different
1120 types of virtual site constructions used for hydrogen atoms. The atoms
1121 used in the construction of the virtual site(s) are depicted as black
1122 circles, virtual sites as gray ones. Hydrogens are smaller than heavy
1123 atoms. {\sf A}: fixed bond angle, note that here the hydrogen is not a
1124 virtual site; {\sf B}: in the plane of three atoms, with fixed distance;
1125 {\sf C}: in the plane of three atoms, with fixed angle and distance;
1126 {\sf D}: construction for amine groups ({\amine} or {\aminep}), see
1127 text for details.}
1128 \label{fig:vsitehydro}
1129 \end{figure}
1130
1131 The goal of defining hydrogen atoms as virtual sites is to remove all
1132 high-frequency degrees of freedom from them. In some cases, not all
1133 degrees of freedom of a hydrogen atom should be removed, {\eg} in the
1134 case of hydroxyl or amine groups the rotational freedom of the
1135 hydrogen atom(s) should be preserved. Care should be taken that no
1136 unwanted correlations are introduced by the construction of virtual
1137 sites, {\eg} bond-angle vibration between the constructing atoms could
1138 translate into hydrogen bond-length vibration. Additionally, since
1139 virtual sites are by definition massless, in order to preserve total
1140 system mass, the mass of each hydrogen atom that is treated as virtual
1141 site should be added to the bonded heavy atom.
1142
1143 Taking into account these considerations, the hydrogen atoms in a
1144 protein naturally fall into several categories, each requiring a
1145 different approach (see also \figref{vsitehydro}).
1146
1147 \begin{itemize}
1148
1149 \item{\em hydroxyl ({\sf -OH}) or sulfhydryl ({\sf -SH})
1150 hydrogen:\/} The only internal degree of freedom in a hydroxyl group
1151 that can be constrained is the bending of the {\sf C-O-H} angle. This
1152 angle is fixed by defining an additional bond of appropriate length,
1153 see \figref{vsitehydro}A. Doing so removes the high-frequency angle bending,
1154 but leaves the dihedral rotational freedom. The same goes for a
1155 sulfhydryl group. {\bf Note} that in these cases the hydrogen is not treated
1156 as a virtual site.
1157
1158 \item{\em single amine or amide ({\amines}) and aromatic hydrogens
1159 ({\sf -CH-}):\/} The position of these hydrogens cannot be constructed
1160 from a linear combination of bond vectors, because of the flexibility
1161 of the angle between the heavy atoms. Instead, the hydrogen atom is
1162 positioned at a fixed distance from the bonded heavy atom on a line
1163 going through the bonded heavy atom and a point on the line through
1164 both second bonded atoms, see \figref{vsitehydro}B.
1165
1166 \item{\em planar amine ({\amine}) hydrogens:\/} The method used for
1167 the single amide hydrogen is not well suited for planar amine groups,
1168 because no suitable two heavy atoms can be found to define the
1169 direction of the hydrogen atoms. Instead, the hydrogen is constructed
1170 at a fixed distance from the nitrogen atom, with a fixed angle to the
1171 carbon atom, in the plane defined by one of the other heavy atoms, see
1172 \figref{vsitehydro}C.
1173
1174 \item{\em amine group (umbrella {\amine} or {\aminep}) hydrogens:\/}
1175 Amine hydrogens with rotational freedom cannot be constructed as virtual
1176 sites from the heavy atoms they are connected to, since this would
1177 result in loss of the rotational freedom of the amine group. To
1178 preserve the rotational freedom while removing the hydrogen bond-angle
1179 degrees of freedom, two ``dummy masses'' are constructed with the same
1180 total mass, moment of inertia (for rotation around the {\sf C-N} bond)
1181 and center of mass as the amine group. These dummy masses have no
1182 interaction with any other atom, except for the fact that they are
1183 connected to the carbon and to each other, resulting in a rigid
1184 triangle. From these three particles, the positions of the nitrogen and
1185 hydrogen atoms are constructed as linear combinations of the two
1186 carbon-mass vectors and their outer product, resulting in an amine
1187 group with rotational freedom intact, but without other internal
1188 degrees of freedom. See \figref{vsitehydro}D.
1189
1190 \end{itemize}
1191
1192 \begin{figure}
1193 \centerline{\includegraphics[width=15cm]{plots/dumaro}}
1194 \caption[Virtual site constructions for aromatic residues.]{The
1195 different types of virtual site constructions used for aromatic
1196 residues. The atoms used in the construction of the virtual site(s) are
1197 depicted as black circles, virtual sites as gray ones. Hydrogens are
1198 smaller than heavy atoms. {\sf A}: phenylalanine; {\sf B}: tyrosine
1199 (note that the hydroxyl hydrogen is {\em not} a virtual site); {\sf C}:
1200 tryptophan; {\sf D}: histidine.}
1201 \label{fig:vistearo}
1202 \end{figure}
1203
1204 \subsection{Out-of-plane vibrations in aromatic groups}
1205 \label{sec:vsitearo}
1206 The planar arrangements in the side chains of the aromatic residues
1207 lends itself perfectly to a virtual-site construction, giving a
1208 perfectly planar group without the inherently unstable constraints
1209 that are necessary to keep normal atoms in a plane. The basic approach
1210 is to define three atoms or dummy masses with constraints between them
1211 to fix the geometry and create the rest of the atoms as simple virtual
1212 sites type (see \secref{virtual_sites}) from these three. Each of
1213 the aromatic residues require a different approach:
1214
1215 \begin{itemize}
1216
1217 \item{\em Phenylalanine:\/} {\sf C}$_\gamma$, {\sf C}$_{{\epsilon}1}$,
1218 and {\sf C}$_{{\epsilon}2}$ are kept as normal atoms, but with each a
1219 mass of one third the total mass of the phenyl group. See
1220 \figref{vsitehydro}A.
1221
1222 \item{\em Tyrosine:\/} The ring is treated identically to the
1223 phenylalanine ring. Additionally, constraints are defined between {\sf
1224 C}$_{{\epsilon}1}$, {\sf C}$_{{\epsilon}2}$, and {\sf O}$_{\eta}$.
1225 The original improper dihedral angles will keep both triangles (one
1226 for the ring and one with {\sf O}$_{\eta}$) in a plane, but due to the
1227 larger moments of inertia this construction will be much more
1228 stable. The bond-angle in the hydroxyl group will be constrained by a
1229 constraint between {\sf C}$_\gamma$ and {\sf H}$_{\eta}$. {\bf Note} that
1230 the hydrogen is not treated as a virtual site. See
1231 \figref{vsitehydro}B.
1232
1233 \item{\em Tryptophan:\/} {\sf C}$_\beta$ is kept as a normal atom
1234 and two dummy masses are created at the center of mass of each of the
1235 rings, each with a mass equal to the total mass of the respective ring
1236 ({\sf C}$_{{\delta}2}$ and {\sf C}$_{{\epsilon}2}$ are each
1237 counted half for each ring). This keeps the overall center of mass and
1238 the moment of inertia almost (but not quite) equal to what it was. See
1239 \figref{vsitehydro}C.
1240
1241 \item{\em Histidine:\/} {\sf C}$_\gamma$, {\sf C}$_{{\epsilon}1}$
1242 and {\sf N}$_{{\epsilon}2}$ are kept as normal atoms, but with masses
1243 redistributed such that the center of mass of the ring is
1244 preserved. See \figref{vsitehydro}D.
1245
1246 \end{itemize}
1247
1248 \section{Viscosity calculation\index{viscosity}}
1249
1250 The shear viscosity is a property of liquids that can be determined easily  
1251 by experiment. It is useful for parameterizing a force field
1252 because it is a kinetic property, while most other properties
1253 which are used for parameterization are thermodynamic.
1254 The viscosity is also an important property, since it influences
1255 the rates of conformational changes of molecules solvated in the liquid.
1256
1257 The viscosity can be calculated from an equilibrium simulation using
1258 an Einstein relation:
1259 \beq
1260 \eta = \frac{1}{2}\frac{V}{k_B T} \lim_{t \rightarrow \infty}
1261 \frac{\mbox{d}}{\mbox{d} t} \left\langle 
1262 \left( \int_{t_0}^{{t_0}+t} P_{xz}(t') \mbox{d} t' \right)^2
1263 \right\rangle_{t_0}
1264 \eeq
1265 This can be done with {\tt g_energy}.
1266 This method converges very slowly~\cite{Hess2002a}, and as such
1267 a nanosecond simulation might not
1268 be long enough for an accurate determination of the viscosity.
1269 The result is very dependent on the treatment of the electrostatics.
1270 Using a (short) cut-off results in large noise on the off-diagonal
1271 pressure elements, which can increase the calculated viscosity by an order
1272 of magnitude.
1273
1274 {\gromacs} also has a non-equilibrium method for determining
1275 the viscosity~\cite{Hess2002a}.
1276 This makes use of the fact that energy, which is fed into system by
1277 external forces, is dissipated through viscous friction. The generated heat
1278 is removed by coupling to a heat bath. For a Newtonian liquid adding a 
1279 small force will result in a velocity gradient according to the following
1280 equation:
1281 \beq
1282 a_x(z) + \frac{\eta}{\rho} \frac{\partial^2 v_x(z)}{\partial z^2} = 0
1283 \eeq
1284 Here we have applied an acceleration $a_x(z)$ in the $x$-direction, which
1285 is a function of the $z$-coordinate.
1286 In {\gromacs} the acceleration profile is:
1287 \beq
1288 a_x(z) = A \cos\left(\frac{2\pi z}{l_z}\right)
1289 \eeq
1290 where $l_z$ is the height of the box. The generated velocity profile is:
1291 \beq
1292 v_x(z) = V \cos\left(\frac{2\pi z}{l_z}\right)
1293 \eeq
1294 \beq
1295 V = A \frac{\rho}{\eta}\left(\frac{l_z}{2\pi}\right)^2
1296 \eeq
1297 The viscosity can be calculated from $A$ and $V$:
1298 \beq
1299 \label{visc}
1300 \eta = \frac{A}{V}\rho \left(\frac{l_z}{2\pi}\right)^2
1301 \eeq
1302
1303 In the simulation $V$ is defined as:
1304 \beq
1305 V = \frac{\displaystyle \sum_{i=1}^N m_i v_{i,x} 2 \cos\left(\frac{2\pi z}{l_z}\right)}
1306          {\displaystyle \sum_{i=1}^N m_i}
1307 \eeq
1308 The generated velocity profile is not coupled to the heat bath. Moreover,
1309 the velocity profile is excluded from the kinetic energy.
1310 One would like $V$ to be as large as possible to get good statistics.
1311 However, the shear rate should not be so high that the system gets too far
1312 from equilibrium. The maximum shear rate occurs where the cosine is zero,
1313 the rate being:
1314 \beq
1315 \mbox{sh}_{\max} =  \max_z \left| \frac{\partial v_x(z)}{\partial z} \right|
1316 = A \frac{\rho}{\eta} \frac{l_z}{2\pi}
1317 \eeq
1318 For a simulation with: $\eta=10^{-3}$ [kg\,m$^{-1}$\,s$^{-1}$],
1319 $\rho=10^3$\,[kg\,m$^{-3}$] and $l_z=2\pi$\,[nm],
1320 $\mbox{sh}_{\max}=1$\,[ps\,nm$^{-1}$] $A$.
1321 This shear rate should be smaller than one over the longest
1322 correlation time in the system. For most liquids, this will be the rotation
1323 correlation time, which is around 10 ps. In this case, $A$ should
1324 be smaller than 0.1\,[nm\,ps$^{-2}$].
1325 When the shear rate is too high, the observed viscosity will be too low.
1326 Because $V$ is proportional to the square of the box height,
1327 the optimal box is elongated in the $z$-direction.
1328 In general, a simulation length of 100 ps is enough to obtain an
1329 accurate value for the viscosity.
1330
1331 The heat generated by the viscous friction is removed by coupling to a heat
1332 bath. Because this coupling is not instantaneous the real temperature of the
1333 liquid will be slightly lower than the observed temperature.
1334 Berendsen derived this temperature shift~\cite{Berendsen91}, which can
1335 be written in terms of the shear rate as:
1336 \beq
1337 T_s = \frac{\eta\,\tau}{2 \rho\,C_v} \mbox{sh}_{\max}^2
1338 \eeq
1339 where $\tau$ is the coupling time for the Berendsen thermostat and
1340 $C_v$ is the heat capacity. Using the values of the example above,
1341 $\tau=10^{-13}$ [s] and $C_v=2 \cdot 10^3$\,[J kg$^{-1}$\,K$^{-1}$], we
1342 get: $T_s=25$\,[K\,ps$^{-2}$]\,sh$_{\max}^2$. When we want the shear
1343 rate to be smaller than $1/10$\,[ps$^{-1}$], $T_s$ is smaller than
1344 0.25\,[K], which is negligible.
1345
1346 {\bf Note} that the system has to build up the velocity profile when starting
1347 from an equilibrium state. This build-up time is of the order of the
1348 correlation time of the liquid.
1349
1350 Two quantities are written to the energy file, along with their averages
1351 and fluctuations: $V$ and $1/\eta$, as obtained from (\ref{visc}).
1352
1353 \section{Tabulated interaction functions\index{tabulated interaction functions}}
1354 \subsection{Cubic splines for potentials}
1355 \label{subsec:cubicspline}
1356 In some of the inner loops of {\gromacs}, look-up tables are used 
1357 for computation of potential and forces. 
1358 The tables are interpolated using a cubic
1359 spline algorithm. 
1360 There are separate tables for electrostatic, dispersion, and repulsion
1361 interactions,
1362 but for the sake of caching performance these have been combined
1363 into a single array. 
1364 The cubic spline interpolation for $x_i \leq x < x_{i+1}$ looks like this:
1365 \beq
1366 V_s(x) = A_0 + A_1 \,\epsilon + A_2 \,\epsilon^2 + A_3 \,\epsilon^3
1367 \label{eqn:spline}
1368 \eeq
1369 where the table spacing $h$ and fraction $\epsilon$ are given by:
1370 \bea
1371 h       &=&     x_{i+1} - x_i   \\
1372 \epsilon&=&     (x - x_i)/h
1373 \eea
1374 so that $0 \le \epsilon < 1$.
1375 From this, we can calculate the derivative in order to determine the forces:
1376 \beq
1377 -V_s'(x) ~=~ 
1378 -\frac{{\rm d}V_s(x)}{{\rm d}\epsilon}\frac{{\rm d}\epsilon}{{\rm d}x} ~=~
1379 -(A_1 + 2 A_2 \,\epsilon + 3 A_3 \,\epsilon^2)/h
1380 \eeq
1381 The four coefficients are determined from the four conditions
1382 that $V_s$ and $-V_s'$ at both ends of each interval should match
1383 the exact potential $V$ and force $-V'$.
1384 This results in the following errors for each interval:
1385 \bea
1386 |V_s  - V  |_{max} &=& V'''' \frac{h^4}{384} + O(h^5) \\
1387 |V_s' - V' |_{max} &=& V'''' \frac{h^3}{72\sqrt{3}} + O(h^4) \\
1388 |V_s''- V''|_{max} &=& V'''' \frac{h^2}{12}  + O(h^3)
1389 \eea
1390 V and V' are continuous, while V'' is the first discontinuous
1391 derivative.
1392 The number of points per nanometer is 500 and 2000
1393 for single- and double-precision versions of {\gromacs}, respectively.
1394 This means that the errors in the potential and force will usually
1395 be smaller than the single precision accuracy.
1396
1397 {\gromacs} stores $A_0$, $A_1$, $A_2$ and $A_3$.
1398 The force routines get a table with these four parameters and
1399 a scaling factor $s$ that is equal to the number of points per nm.
1400 ({\bf Note} that $h$ is $s^{-1}$).
1401 The algorithm goes a little something like this:
1402 \begin{enumerate}
1403 \item   Calculate distance vector (\ve{r}$_{ij}$) and distance r$_{ij}$
1404 \item   Multiply r$_{ij}$ by $s$ and truncate to an integer value $n_0$
1405         to get a table index
1406 \item   Calculate fractional component ($\epsilon$ = $s$r$_{ij} - n_0$) 
1407         and $\epsilon^2$ 
1408 \item   Do the interpolation to calculate the potential $V$ and the scalar force $f$
1409 \item   Calculate the vector force \ve{F} by multiplying $f$ with \ve{r}$_{ij}$
1410 \end{enumerate}
1411
1412 {\bf Note} that table look-up is significantly {\em
1413 slower} than computation of the most simple Lennard-Jones and Coulomb
1414 interaction. However, it is much faster than the shifted Coulomb
1415 function used in conjunction with the PPPM method. Finally, it is much
1416 easier to modify a table for the potential (and get a graphical
1417 representation of it) than to modify the inner loops of the MD
1418 program.
1419
1420 \subsection{User-specified potential functions}
1421 \label{subsec:userpot}
1422 You can also use your own \index{potential function}s 
1423 without editing the {\gromacs} code. 
1424 The potential function should be according to the following equation
1425 \beq
1426 V(r_{ij}) ~=~ \frac{q_i q_j}{4 \pi\epsilon_0} f(r_{ij}) + C_6 \,g(r_{ij}) + C_{12} \,h(r_{ij})
1427 \eeq
1428 where $f$, $g$, and $h$ are user defined functions. {\bf Note} that if $g(r)$ represents a
1429 normal dispersion interaction, $g(r)$ should be $<$ 0. C$_6$, C$_{12}$
1430 and the charges are read from the topology. Also note that combination
1431 rules are only supported for Lennard-Jones and Buckingham, and that
1432 your tables should match the parameters in the binary topology.
1433
1434 When you add the following lines in your {\tt .mdp} file:
1435
1436 {\small
1437 \begin{verbatim}
1438 rlist           = 1.0
1439 coulombtype     = User
1440 rcoulomb        = 1.0
1441 vdwtype         = User
1442 rvdw            = 1.0
1443 \end{verbatim}}
1444
1445 {\tt mdrun} will read a single non-bonded table file,
1446 or multiple when {\tt energygrp-table} is set (see below).
1447 The name of the file(s) can be set with the {\tt mdrun} option {\tt -table}.
1448 The table file should contain seven columns of table look-up data in the
1449 order: $x$, $f(x)$, $-f'(x)$, $g(x)$, $-g'(x)$, $h(x)$, $-h'(x)$.
1450 The $x$ should run from 0 to $r_c+1$ (the value of {\tt table_extension} can be
1451 changed in the {\tt .mdp} file).
1452 You can choose the spacing you like; for the standard tables {\gromacs}
1453 uses a spacing of 0.002 and 0.0005 nm when you run in single
1454 and double precision, respectively.  In this
1455 context, $r_c$ denotes the maximum of the two cut-offs {\tt rvdw} and
1456 {\tt rcoulomb} (see above). These variables need not be the same (and
1457 need not be 1.0 either).  Some functions used for potentials contain a
1458 singularity at $x = 0$, but since atoms are normally not closer to each
1459 other than 0.1 nm, the function value at $x = 0$ is not important.
1460 Finally, it is also
1461 possible to combine a standard Coulomb with a modified LJ potential
1462 (or vice versa). One then specifies {\eg} {\tt coulombtype = Cut-off} or
1463 {\tt coulombtype = PME}, combined with {\tt vdwtype = User}.  The table file must
1464 always contain the 7 columns however, and meaningful data (i.e. not
1465 zeroes) must be entered in all columns.  A number of pre-built table
1466 files can be found in the {\tt GMXLIB} directory for 6-8, 6-9, 6-10, 6-11, and 6-12
1467 Lennard-Jones potentials combined with a normal Coulomb.
1468
1469 If you want to have different functional forms between different
1470 groups of atoms, this can be set through energy groups.
1471 Different tables can be used for non-bonded interactions between
1472 different energy groups pairs through the {\tt .mdp} option {\tt energygrp-table}
1473 (see \secref{mdpopt}).
1474 Atoms that should interact with a different potential should
1475 be put into different energy groups.
1476 Between group pairs which are not listed in {\tt energygrp-table},
1477 the normal user tables will be used. This makes it easy to use
1478 a different functional form between a few types of atoms.
1479
1480 \section{Mixed Quantum-Classical simulation techniques}
1481
1482 In a molecular mechanics (MM) force field, the influence of electrons
1483 is expressed by empirical parameters that are assigned on the basis of
1484 experimental data, or on the basis of results from high-level quantum
1485 chemistry calculations. These are valid for the ground state of a
1486 given covalent structure, and the MM approximation is usually
1487 sufficiently accurate for ground-state processes in which the overall
1488 connectivity between the atoms in the system remains
1489 unchanged. However, for processes in which the connectivity does
1490 change, such as chemical reactions, or processes that involve multiple
1491 electronic states, such as photochemical conversions, electrons can no
1492 longer be ignored, and a quantum mechanical description is required
1493 for at least those parts of the system in which the reaction takes
1494 place.
1495
1496 One approach to the simulation of chemical reactions in solution, or
1497 in enzymes, is to use a combination of quantum mechanics (QM) and
1498 molecular mechanics (MM). The reacting parts of the system are treated
1499 quantum mechanically, with the remainder being modeled using the
1500 force field. The current version of {\gromacs} provides interfaces to
1501 several popular Quantum Chemistry packages (MOPAC~\cite{mopac},
1502 GAMESS-UK~\cite{gamess-uk}, Gaussian~\cite{g03} and CPMD~\cite{Car85a}).
1503
1504 {\gromacs} interactions between the two subsystems are
1505 either handled as described by Field {\em et al.}~\cite{Field90a} or
1506 within the ONIOM approach by Morokuma and coworkers~\cite{Maseras96a,
1507 Svensson96a}.
1508
1509 \subsection{Overview}
1510
1511 Two approaches for describing the interactions between the QM and MM
1512 subsystems are supported in this version:
1513
1514 \begin{enumerate}
1515 \item{\textbf{Electronic Embedding}} The electrostatic interactions
1516 between the electrons of the QM region and the MM atoms and between
1517 the QM nuclei and the MM atoms are included in the Hamiltonian for
1518 the QM subsystem: \beq H^{QM/MM} =
1519 H^{QM}_e-\sum_i^n\sum_J^M\frac{e^2Q_J}{4\pi\epsilon_0r_{iJ}}+\sum_A^N\sum_J^M\frac{e^2Z_AQ_J}{e\pi\epsilon_0R_{AJ}},
1520 \eeq where $n$ and $N$ are the number of electrons and nuclei in the
1521 QM region, respectively, and $M$ is the number of charged MM
1522 atoms. The first term on the right hand side is the original
1523 electronic Hamiltonian of an isolated QM system. The first of the
1524 double sums is the total electrostatic interaction between the QM
1525 electrons and the MM atoms. The total electrostatic interaction of the
1526 QM nuclei with the MM atoms is given by the second double sum. Bonded
1527 interactions between QM and MM atoms are described at the MM level by
1528 the appropriate force field terms. Chemical bonds that connect the two
1529 subsystems are capped by a hydrogen atom to complete the valence of
1530 the QM region. The force on this atom, which is present in the QM
1531 region only, is distributed over the two atoms of the bond. The cap
1532 atom is usually referred to as a link atom.
1533
1534 \item{\textbf{ONIOM}} In the ONIOM approach, the energy and gradients
1535 are first evaluated for the isolated QM subsystem at the desired level
1536 of {\it{ab initio}} theory. Subsequently, the energy and gradients of
1537 the total system, including the QM region, are computed using the
1538 molecular mechanics force field and added to the energy and gradients
1539 calculated for the isolated QM subsystem. Finally, in order to correct
1540 for counting the interactions inside the QM region twice, a molecular
1541 mechanics calculation is performed on the isolated QM subsystem and
1542 the energy and gradients are subtracted. This leads to the following
1543 expression for the total QM/MM energy (and gradients likewise): \beq
1544 E_{tot} = E_{I}^{QM}
1545 +E_{I+II}^{MM}-E_{I}^{MM}, \eeq where the
1546 subscripts I and II refer to the QM and MM subsystems,
1547 respectively. The superscripts indicate at what level of theory the
1548 energies are computed. The ONIOM scheme has the
1549 advantage that it is not restricted to a two-layer QM/MM description,
1550 but can easily handle more than two layers, with each layer described
1551 at a different level of theory.
1552 \end{enumerate}
1553
1554 \subsection{Usage}
1555
1556 To make use of the QM/MM functionality in {\gromacs}, one needs to:
1557
1558 \begin{enumerate}
1559 \item introduce link atoms at the QM/MM boundary, if needed;
1560 \item specify which atoms are to be treated at a QM level;
1561 \item specify the QM level, basis set, type of QM/MM interface and so on. 
1562 \end{enumerate}
1563
1564 \subsubsection{Adding link atoms}
1565
1566 At the bond that connects the QM and MM subsystems, a link atoms is
1567 introduced.  In {\gromacs} the link atom has special atomtype, called
1568 LA. This atomtype is treated as a hydrogen atom in the QM calculation,
1569 and as a virtual site in the force field calculation. The link atoms, if
1570 any, are part of the system, but have no interaction with any other
1571 atom, except that the QM force working on it is distributed over the
1572 two atoms of the bond. In the topology, the link atom (LA), therefore,
1573 is defined as a virtual site atom:
1574
1575 {\small
1576 \begin{verbatim}
1577 [ virtual_sites2 ]
1578 LA QMatom MMatom 1 0.65
1579 \end{verbatim}}
1580
1581 See~\secref{vsitetop} for more details on how virtual sites are
1582 treated. The link atom is replaced at every step of the simulation.
1583
1584 In addition, the bond itself is replaced by a constraint:
1585
1586 {\small
1587 \begin{verbatim}
1588 [ constraints ]
1589 QMatom MMatom 2 0.153
1590 \end{verbatim}}
1591
1592 {\bf Note} that, because in our system the QM/MM bond is a carbon-carbon
1593 bond (0.153 nm), we use a constraint length of 0.153 nm, and dummy
1594 position of 0.65. The latter is the ratio between the ideal C-H
1595 bond length and the ideal C-C bond length. With this ratio, the link
1596 atom is always 0.1 nm away from the {\tt QMatom}, consistent with the
1597 carbon-hydrogen bond length. If the QM and MM subsystems are connected
1598 by a different kind of bond, a different constraint and a different
1599 dummy position, appropriate for that bond type, are required.
1600
1601 \subsubsection{Specifying the QM atoms}
1602
1603 Atoms that should be treated at a QM level of theory, including the
1604 link atoms, are added to the index file. In addition, the chemical
1605 bonds between the atoms in the QM region are to be defined as
1606 connect bonds (bond type 5) in the topology file:
1607
1608 {\small
1609 \begin{verbatim}
1610 [ bonds ]
1611 QMatom1 QMatom2 5
1612 QMatom2 QMatom3 5
1613 \end{verbatim}}
1614
1615 \subsubsection{Specifying the QM/MM simulation parameters}
1616
1617 In the {\tt .mdp} file, the following parameters control a QM/MM simulation.
1618
1619 \begin{description}
1620
1621 \item[\tt QMMM = no]\mbox{}\\ If this is set to {\tt yes}, a QM/MM
1622 simulation is requested. Several groups of atoms can be described at
1623 different QM levels separately. These are specified in the QMMM-grps
1624 field separated by spaces. The level of {\it{ab initio}} theory at which the
1625 groups are described is specified by {\tt QMmethod} and {\tt QMbasis}
1626 Fields. Describing the groups at different levels of theory is only
1627 possible with the ONIOM QM/MM scheme, specified by {\tt QMMMscheme}.
1628
1629 \item[\tt QMMM-grps =]\mbox{}\\groups to be described at the QM level
1630
1631 \item[\tt QMMMscheme = normal]\mbox{}\\Options are {\tt normal} and
1632 {\tt ONIOM}. This selects the QM/MM interface. {\tt normal} implies
1633 that the QM subsystem is electronically embedded in the MM
1634 subsystem. There can only be one {\tt QMMM-grps} that is modeled at
1635 the {\tt QMmethod} and {\tt QMbasis} level of {\it{ ab initio}}
1636 theory. The rest of the system is described at the MM level. The QM
1637 and MM subsystems interact as follows: MM point charges are included
1638 in the QM one-electron Hamiltonian and all Lennard-Jones interactions
1639 are described at the MM level. If {\tt ONIOM} is selected, the
1640 interaction between the subsystem is described using the ONIOM method
1641 by Morokuma and co-workers. There can be more than one QMMM-grps each
1642 modeled at a different level of QM theory (QMmethod and QMbasis).
1643
1644 \item[\tt QMmethod = ]\mbox{}\\Method used to compute the energy
1645 and gradients on the QM atoms. Available methods are AM1, PM3, RHF,
1646 UHF, DFT, B3LYP, MP2, CASSCF, MMVB and CPMD. For CASSCF, the number of
1647 electrons and orbitals included in the active space is specified by
1648 {\tt CASelectrons} and {\tt CASorbitals}. For CPMD, the plane-wave
1649 cut-off is specified by the {\tt planewavecutoff} keyword.
1650
1651 \item[\tt QMbasis = ]\mbox{}\\Gaussian basis set used to expand the
1652 electronic wave-function. Only Gaussian basis sets are currently
1653 available, i.e. STO-3G, 3-21G, 3-21G*, 3-21+G*, 6-21G, 6-31G, 6-31G*,
1654 6-31+G*, and 6-311G. For CPMD, which uses plane wave expansion rather
1655 than atom-centered basis functions, the {\tt planewavecutoff} keyword
1656 controls the plane wave expansion.
1657
1658 \item[\tt QMcharge = ]\mbox{}\\The total charge in {\it{e}} of the {\tt
1659 QMMM-grps}. In case there are more than one {\tt QMMM-grps}, the total
1660 charge of each ONIOM layer needs to be specified separately.
1661
1662 \item[\tt QMmult = ]\mbox{}\\The multiplicity of the {\tt
1663 QMMM-grps}. In case there are more than one {\tt QMMM-grps}, the
1664 multiplicity of each ONIOM layer needs to be specified separately.
1665
1666 \item[\tt CASorbitals = ]\mbox{}\\The number of orbitals to be
1667 included in the active space when doing a CASSCF computation.
1668
1669 \item[\tt CASelectrons = ]\mbox{}\\The number of electrons to be
1670 included in the active space when doing a CASSCF computation.
1671
1672 \item[\tt SH = no]\mbox{}\\If this is set to yes, a QM/MM MD
1673 simulation on the excited state-potential energy surface and enforce a
1674 diabatic hop to the ground-state when the system hits the conical
1675 intersection hyperline in the course the simulation. This option only
1676 works in combination with the CASSCF method.
1677
1678 \end{description}
1679
1680 \subsection{Output}
1681
1682 The energies and gradients computed in the QM calculation are added to
1683 those computed by {\gromacs}. In the {\tt .edr} file there is a section
1684 for the total QM energy.
1685
1686 \subsection{Future developments}
1687
1688 Several features are currently under development to increase the
1689 accuracy of the QM/MM interface. One useful feature is the use of
1690 delocalized MM charges in the QM computations. The most important
1691 benefit of using such smeared-out charges is that the Coulombic
1692 potential has a finite value at interatomic distances. In the point
1693 charge representation, the partially-charged MM atoms close to the QM
1694 region tend to ``over-polarize'' the QM system, which leads to artifacts
1695 in the calculation.
1696
1697 What is needed as well is a transition state optimizer.
1698
1699 \section{\normindex{Adaptive Resolution Scheme}}
1700 \newcommand{\adress}{AdResS}
1701 The adaptive resolution scheme~\cite{Praprotnik2005,Praprotnik2008} (\seeindex{\adress}{Adaptive Resolution Scheme}) couples two systems with different resolutions by a force interpolation scheme.
1702 In contrast to the mixed Quantum-Classical simulation techniques of the previous section, the number of high resolution particles is not fixed, but can vary over the simulation time.
1703
1704 Below we discuss {\adress} for a double resolution (atomistic and coarse grained) representation of the same system. See \figref{adress} for illustration.
1705 The details of implementation described in this section were published in~\cite{Junghans2010,Fritsch2012}.
1706
1707 \begin{figure}
1708 \begin{center}
1709 \includegraphics[width=0.5\textwidth]{plots/adress}
1710 \caption{A schematic illustration of the {\adress} method for water.} 
1711 \label{fig:adress}
1712 \end{center}
1713 \end{figure}
1714 Every molecule needs a well-defined mapping point (usually the center of mass)
1715 but any other linear combination of particle coordinates is also sufficient. 
1716 In the topology the mapping point is defined by a virtual site. The forces in the coarse-grained region are functions of the mapping point positions only.
1717 In this implementation molecules are modeled by charge groups or sets of charge groups, which actually allows one to have multiple mapping points per molecule. This can be useful for bigger molecules like polymers. In that case one has to also extend the AdResS description to bonded interactions~\cite{Praprotnik2011}, which will be implemented into \gromacs in one of the future versions.
1718
1719 The force between two molecules is given by~\cite{Praprotnik2005}
1720 \footnote{Note that the equation obeys Newton's third law, which is not the case for other interpolation schemes~\cite{DelleSite2007}.}:
1721 \begin{equation}
1722 \vec{F}_{\alpha\beta}=w_\alpha w_\beta \vec{F}^\mathrm{ex,mol}_{\alpha\beta} + \left[1-w_\alpha w_\beta\right] \vec{F}^\mathrm{cg,mol}_{\alpha\beta}~,
1723 \label{eqn:interpolation}
1724 \end{equation}
1725 where $\alpha$ and $\beta$ label the two molecules and $w_\alpha$, $w_\beta$ are the adaptive weights of the two molecules.
1726
1727 The first part, which represents the explicit interaction of the molecules, can be written as:
1728 \begin{equation}
1729 \vec{F}^\mathrm{ex,mol}_{\alpha\beta}=\sum_{i\in\alpha}\sum_{j\in\beta} \vec{F}^\mathrm{ex}_{ij}~,
1730 \end{equation}
1731 where $\vec{F}^\mathrm{ex}_{ij}$ is the force between the $i$th atom  in  $\alpha$th molecule and the $j$th atom in the $\beta$th molecule, which is given by an explicit force field.
1732 The second part of \eqnref{interpolation} comes from the coarse-grained interaction of the molecules.
1733 In \gromacs a slightly extended case is implemented:
1734 \begin{equation}
1735   \vec{F}_{\alpha\beta}=\sum_{i\in\alpha}\sum_{j\in\beta} w_i w_j \vec{F}^\mathrm{ex}_{ij} + \left[1-w_\alpha w_\beta\right] \vec{F}^\mathrm{cg,mol}_{\alpha\beta}~,
1736 \label{eqn:interpolation2}
1737 \end{equation}
1738 where $w_i$ and $w_j$ are atom-wise weights, which are determined by the {\tt adress-site} option. For {\tt adress-site} being the center of mass, atom $i$ has the weight of the center of mass of its \emph{charge group}.
1739 The weight $w_\alpha$ of molecule $\alpha$ is determined by the position of coarse-grained particle, which is constructed as a virtual site from the atomistic particles as specified in the topology.
1740 This extension allows one to perform all kind of AdResS variations, but the common case can be recovered by using a center of mass virtual site in the topology, {\tt adress-site=COM} and putting all atoms (except the virtual site representing the coarse-grained interaction) of a molecule into one charge group.
1741 For big molecules, it is sometimes useful to use an atom-based weight, which can be either be achieved by setting {\tt adress-site=atomperatom} or putting every atom into a separate charge group (the center of mass of a charge group with one atom is the atom itself).
1742
1743 The coarse-grained force field $\vec{F}^\mathrm{cg}$ is usually derived from the atomistic system by structure-based coarse-graining (see \secref{cg-forcefields}). To specify which atoms belong to a coarse-grained representation, energy groups are used.
1744 Each coarse-grained interaction has to be associated with a specific energy group, which is why the virtual sites representing the coarse-grained interactions also have to be in different charge groups. The energy groups which are treated as coarse-grained interactions are then listed in {\tt adress_cg_grp_names}.
1745 The most important element of this interpolation (see \eqnref{interpolation} and \eqnref{interpolation2}) is the adaptive weighting function (for illustration see \figref{adress}):
1746 \begin{equation}
1747 w(x)=
1748 \left\{\begin{array}{c@{\;:\;}l}
1749 1&\mathrm{atomistic/explicit\;region}\\
1750 0<w<1&\mathrm{hybrid\;region}\\
1751 0&\mathrm{coarse-grained\;region}
1752 \end{array}\right.~,
1753 \label{equ:weighting}
1754 \end{equation}
1755 which has a value between 0 and 1.
1756 This definition of $w$ gives a purely explicit force in the explicit region and a purely coarse-grained force in the coarse-grained region,
1757 so essentially \eqnref{interpolation} only the hybrid region has mixed interactions which would not appear in a standard simulation.
1758 In {\gromacs}, a $\cos^2$-like function is implemented as a weighting function:
1759 \begin{equation}
1760 w(x)=
1761 \left\{\begin{array}{c@{\;:\;}r@{x}l}
1762 0&&>d_\mathrm{ex}+d_\mathrm{hy}\\
1763 \cos^2\left(\frac{\pi}{2d_\mathrm{hy}}(x-d_\mathrm{ex})\right)&d_\mathrm{ex}+d_\mathrm{hy}>&>d_\mathrm{ex}\\
1764 1&d_\mathrm{ex}>&
1765 \end{array}\right.~,
1766 \label{equ:wf}
1767 \end{equation}
1768 where $d_\mathrm{ex}$ and $d_\mathrm{hy}$ are the sizes of the explicit and the hybrid region, respectively.
1769 Depending on the physical interest of the research, other functions could be implemented as long as the following boundary conditions are fulfilled:
1770 The function is 1) continuous, 2) monotonic and 3) has zero derivatives at the boundaries.
1771 Spherical and one-dimensional splitting  of the simulation box has been implemented ({\tt adress-type} option)
1772 and depending on this, the distance $x$ to the center of the explicit region is calculated as follows:
1773 \begin{equation}
1774 x=
1775 \left\{
1776 \begin{array}{c@{\;:\;}l}
1777   |(\vec{R}_\alpha-\vec{R}_\mathrm{ct})\cdot\hat{e}|&\mathrm{splitting\;in\;}\hat{e}\mathrm{\;direction}\\
1778 |\vec{R}_\alpha-\vec{R}_\mathrm{ct}|&\mathrm{spherical\;splitting}
1779 \end{array}
1780 \right.~,
1781 \end{equation}
1782 where $\vec{R}_\mathrm{ct}$ is the center of the explicit zone (defined by {\tt adress-reference-coords} option). $\vec{R}_\alpha$ is the mapping point of the $\alpha$th molecule. For the center of mass mapping, it is given by:
1783 \begin{equation}
1784 R_\alpha=\frac{\sum_{i\in\alpha}m_i r_i}{\sum_{i\in\alpha}m_i}
1785 \label{equ:com-def}
1786 \end{equation}
1787 Note that the value of the weighting function depends exclusively on the mapping of the molecule.
1788
1789 The interpolation of forces (see \eqnref{interpolation2}) can produce inhomogeneities in the density and affect the structure of the system in the hybrid region.
1790
1791 One way of reducing the density inhomogeneities is by the application of the so-called thermodynamic force (TF)~\cite{Poblete2010}.
1792 Such a force consists of a space-dependent external field applied in the hybrid region on the coarse-grained site of each molecule. It can be specified for each of the species of the system.
1793 The TF compensates the pressure profile~\cite{Fritsch2012b} that emerges under a homogeneous density profile. Therefore, it can correct the local density inhomogeneities in the hybrid region and it also allows the coupling of atomistic and coarse-grained representations which by construction have different pressures at the target density.
1794 The field can be determined by an iterative procedure, which is described in detail in the \href{http://code.google.com/p/votca/downloads/list?&q=manual}{manual} of the \normindex{VOTCA package}~\cite{ruehle2009}. Setting the {\tt adress-interface-correction} to {\tt thermoforce} enables the TF correction and\newline{\tt adress-tf-grp-names} defines the energy groups to act on.
1795
1796 \subsection{Example: Adaptive resolution simulation of water}\label{subsec:adressexample}
1797 In this section the set up of  an adaptive resolution simulation coupling atomistic SPC ~\cite{Berendsen81} water to its coarse-grained representation will be explained (as used in \cite{Fritsch2012b}).
1798 The following steps are required to setup the simulation:
1799 \begin{itemize}
1800 \item Perform a reference all-atom simulation
1801 \item Create a coarse-grained representation and save it as tabulated interaction function 
1802 \item Create a hybrid topology for the SPC water
1803 \item Modify the atomistic coordinate file to include the coarse grained representation
1804 \item Define the geometry of the adaptive simulation in the grompp input file
1805 \item Create an index file
1806 \end{itemize}
1807 The coarse-grained representation of the interaction is stored as tabulated interaction function see \ssecref{userpot}. The convention is to use the $C^{(12)}$  columns with the  $C^{(12)}$- coefficient set to 1. All other columns should be zero. The VOTCA manual has detailed instructions and a tutorial for SPC water on how to coarse-grain the interaction using various techniques.
1808 Here we named the coarse grained interaction CG, so the corresponding tabulated file is {\tt table_CG_CG.xvg}. To create the topology one can start from the atomistic topology file (e.g. share/gromacs/top/oplsaa.ff/spc.itp), we are assuming rigid water here. In the VOTCA tutorial the file is named {\tt hybrid_spc.itp}.
1809 The only difference to the atomistic topology is the addition of a coarse-grained virtual site:
1810 {\small
1811 \begin{verbatim}
1812 [ moleculetype ]
1813 ; molname       nrexcl
1814 SOL             2
1815
1816 [ atoms ]
1817 ;   nr   type  resnr residue  atom   cgnr     charge       mass
1818      1  opls_116   1    SOL     OW      1      -0.82
1819      2  opls_117   1    SOL    HW1      1       0.41
1820      3  opls_117   1    SOL    HW2      1       0.41
1821      4     CG      1    SOL     CG      2       0
1822
1823
1824 [ settles ]
1825 ; OW    funct   doh     dhh
1826 1       1       0.1     0.16330
1827
1828 [ exclusions ]
1829 1       2       3
1830 2       1       3
1831 3       1       2
1832
1833 [ virtual_sites3 ]
1834 ; Site from funct a d
1835 4 1 2 3 1 0.05595E+00 0.05595E+00
1836 \end{verbatim}}
1837 The virtual site type 3 with the specified coefficients places the virtual site in the center of mass of the molecule (for larger molecules virtual_sitesn has to be used).
1838 We now need to include our modified water model in the topology file and define the type {\tt CG}. In {\tt topol.top}:
1839 {\small
1840 \begin{verbatim}
1841 #include "ffoplsaa.itp"
1842
1843 [ atomtypes ]
1844 ;name  mass        charge    ptype   sigma     epsilon
1845  CG    0.00000     0.0000    V       1    0.25
1846
1847 #include "hybrid_spc.itp"
1848
1849 [ system ]
1850 Adaptive water
1851 [ molecules ]
1852 SOL    8507
1853 \end{verbatim}}
1854 The $\sigma$ and $\epsilon$ values correspond to $C_6=1$ and $C_{12}=1$ and thus the table file should contain the coarse-grained interaction in either the $C_6$ or $C_{12}$ column. In the example the OPLS force field is used where $\sigma$ and $\epsilon$ are specified.
1855 Note that for force fields which define atomtypes directly in terms of $C_6$ and $C_{12}$ ( like {\tt gmx.ff} ) one can simply set $C_6=0$ and $C_{12}=1$. See section \ssecref{userpot} for more details on tabulated interactions. Since now the water molecule has a virtual site the coordinate file also needs to include that.
1856 {\small
1857 \begin{verbatim}
1858 adaptive water coordinates
1859 34028
1860     1SOL     OW    1   0.283   0.886   0.647
1861     1SOL    HW1    2   0.359   0.884   0.711
1862     1SOL    HW2    3   0.308   0.938   0.566
1863     1SOL     CG    4   0.289   0.889   0.646
1864     1SOL     OW    5   1.848   0.918   0.082
1865     1SOL    HW1    6   1.760   0.930   0.129
1866     1SOL    HW2    7   1.921   0.912   0.150
1867     1SOL     CG    8   1.847   0.918   0.088
1868     (...)
1869 \end{verbatim}}
1870 This file can be created manually or using the VOTCA tool {\tt csg_map } with the {\tt --hybrid} option.\\
1871 In the grompp input file the AdResS feature needs to be enabled and the geometry defined.
1872 {\small
1873 \begin{verbatim}
1874 (...)
1875 ; AdResS relevant options
1876 energygrps               = CG
1877 energygrp_table          = CG CG
1878
1879 ; Method for doing Van der Waals
1880 vdw-type                 = user
1881
1882 adress                  = yes
1883 adress_type             = xsplit
1884 adress_ex_width         = 1.5
1885 adress_hy_width         = 1.5
1886 adress_interface_correction = off
1887 adress_reference_coords = 8 0 0
1888 adress_cg_grp_names = CG
1889 \end{verbatim}}
1890
1891 Here we are defining an energy group {\tt CG} which consists of the coarse-grained virtual site.
1892 As discussed above, the coarse-grained interaction is usually tabulated. This requires the {\tt vdw-type} parameter to be set to {\tt user}. In the case where multi-component systems are coarse-grained, an energy group has to be defined for each component. Note that all the energy groups defining coarse-grained representations have to be listed again in {\tt adress_cg_grp_names} to distinguish them from regular energy groups.\\
1893 The index file has to be updated to have a group CG which includes all the coarse-grained virtual sites. This can be done easily using the {\tt make_ndx} tool of gromacs.
1894
1895 \section{Using VMD plug-ins for trajectory file I/O}
1896 \index{VMD plug-ins}\index{trajectory file}{\gromacs} tools are able
1897 to use the plug-ins found in an existing installation of
1898 \href{http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd}{VMD} in order to read and
1899 write trajectory files in formats that are not native to
1900 {\gromacs}. You will be able to supply an AMBER DCD-format trajectory
1901 filename directly to {\gromacs} tools, for example.
1902
1903 This requires a VMD installation not older than version 1.8, that your
1904 system provides the dlopen function so that programs can determine at
1905 run time what plug-ins exist, and that you build shared libraries when
1906 building {\gromacs}. CMake will find the vmd executable in your path, and
1907 from it, or the environment variable {\tt VMDDIR} at configuration or
1908 run time, locate the plug-ins. Alternatively, the {\tt VMD_PLUGIN_PATH}
1909 can be used at run time to specify a path where these plug-ins can be
1910 found. Note that these plug-ins are in a binary format, and that format
1911 must match the architecture of the machine attempting to use them.
1912
1913
1914 % LocalWords:  PMF pmf kJ mol Jarzynski BT bilayer rup mdp AFM fepmf fecalc rb
1915 % LocalWords:  posre grompp fs Verlet dihedrals hydrogens hydroxyl sulfhydryl
1916 % LocalWords:  vsitehydro planarity chirality pdb gmx virtualize virtualized xz
1917 % LocalWords:  vis massless tryptophan histidine phenyl parameterizing ij PPPM
1918 % LocalWords:  parameterization Berendsen rlist coulombtype rcoulomb vdwtype LJ
1919 % LocalWords:  rvdw energygrp mdrun pre GMXLIB mdpopt MOPAC GAMESS CPMD ONIOM
1920 % LocalWords:  Morokuma iJ AQ AJ initio atomtype QMatom MMatom QMMM grps et al
1921 % LocalWords:  QMmethod QMbasis QMMMscheme RHF DFT LYP CASSCF MMVB CASelectrons
1922 % LocalWords:  CASorbitals planewavecutoff STO QMcharge QMmult diabatic edr
1923 % LocalWords:  hyperline delocalized Coulombic indices nm ccc th ps
1924 % LocalWords:  GTX CPUs GHz md sd bd vv avek tcoupl andersen tc OPLSAA GROMOS
1925 % LocalWords:  OBC obc CCMA tol pbc xyz barostat pcoupl acc gpu PLUGIN Cmake GX
1926 % LocalWords:  MSVC gcc installpath cmake DGMX DCMAKE functionalities GPGPU GTS
1927 % LocalWords:  OpenCL DeviceID gromacs gpus html GeForce Quadro FX Plex CX GF
1928 % LocalWords:  VMD DCD GROningen MAchine BIOSON Groningen der Spoel Drunen Comp
1929 % LocalWords:  Phys Comm moltype intramol vdw Waals fep multivector pf
1930 % LocalWords:  pymbar dhdl xvg LINCS Entropic entropic solutes ref com iso pm
1931 % LocalWords:  rm prefactors equipotential potiso potisopf potpm trr
1932 % LocalWords:  potrm potrmpf midplanes midplane gaussians potflex vars massw av
1933 % LocalWords:  shure observables rccccccc vec eps dist min eqn transl nstsout
1934 % LocalWords:  nstrout rotangles rotslabs rottorque RMSD rmsdfit excl NH amine
1935 % LocalWords:  positionrestraint es SH phenylalanine solvated sh nanometer QM
1936 % LocalWords:  Lennard Buckingham UK Svensson ab vsitetop co UHF MP interatomic
1937 % LocalWords:  AdResS adress cg grp coords TF VOTCA thermoforce tf SPC userpot
1938 % LocalWords:  itp sitesn atomtypes ff csg ndx Tesla CHARMM AA gauss
1939 % LocalWords:  CMAP nocmap fators Monte performant lib LD DIR llllcc
1940 % LocalWords:  CMake homepage DEV overclocking GT dlopen vmd VMDDIR
1941 % LocalWords:  versa PME atomperatom graining forcefields hy spc OPLS
1942 % LocalWords:  topol multi