Here, we introduce the Tensor Atomic Cluster Expansion (TACE), a unified framework formulated entirely in Cartesian space, enabling systematic and consistent prediction of arbitrary structure-dependent tensorial properties. TACE achieves this by decomposing atomic environments into a complete hierarchy of irreducible Cartesian tensors, ensuring symmetry-consistent representations that naturally encode invariance and equivariance constraints. Beyond geometry, TACE incorporates universal embeddings that flexibly integrate diverse attributes including computational levels, charges, magnetic moments and field perturbations. This allows explicit control over external invariants and equivariants in the prediction process. Long-range interactions are also accurately described through the Latent Ewald Summation module within the short-range approximation, providing a rigorous yet computationally efficient treatment of electrostatic and dispersion effects. We demonstrate that TACE attains accuracy, stability, and efficiency on par with or surpassing leading equivariant frameworks across finite molecules and extended materials. This includes in-domain and out-of-domain benchmarks, spectra, Hessian, external-field responses, charged and magnetic systems, multi-fidelity training, heterogeneous catalysis, and even superior performance within the uMLIP benchmark. Crucially, TACE bridges scalar and tensorial modeling and establishes a Cartesian-space paradigm that unifies and extends beyond the design space of spherical-tensor-based methods. This work lays the foundation for a new generation of universal atomistic machine learning models capable of systematically capturing the rich interplay of geometry, fields and material properties within a single coherent framework.


翻译:本文提出张量原子簇展开(TACE),一种完全在笛卡尔空间中构建的统一框架,能够系统且一致地预测任意结构依赖的张量性质。TACE通过将原子环境分解为完整的不可约笛卡尔张量层级实现这一目标,确保对称性一致的表示,从而自然地编码不变性与等变性约束。除几何结构外,TACE整合了通用嵌入模块,可灵活融合包括计算层级、电荷、磁矩及场扰动在内的多种属性。这使得在预测过程中能够显式控制外部不变量与等变量。长程相互作用亦通过短程近似内的隐式埃瓦尔德求和模块精确描述,为静电与色散效应提供了严格且计算高效的处理方式。我们证明,TACE在有限分子与扩展材料体系中达到或超越了主流等变框架的精度、稳定性与效率,涵盖域内/域外基准测试、光谱、海森矩阵、外场响应、带电与磁性体系、多保真度训练、异相催化,甚至在uMLIP基准中表现出更优性能。关键的是,TACE桥接了标量与张量建模,并确立了一种笛卡尔空间范式,该范式统一并超越了基于球张量方法的设计空间。此项工作为新一代通用原子尺度机器学习模型奠定了基础,使其能够在单一连贯框架内系统捕捉几何结构、外场与材料性质之间丰富的相互作用。

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