Atomare Potentiale beschreiben die effektive Wechselwirkungsenergie zwischen Atomen in einem System als Funktion ihrer Positionen. Sie bilden die Grundlage klassischer Molekulardynamik- und statischer Energieberechnungen, indem sie die quantenmechanische Vielteilchenproblematik durch analytische oder numerische Näherungen ersetzen.

Formal wird ein atomarer Potentialansatz durch eine Gesamtenergie E({R_i}) beschrieben, die aus Paar-, Vielekörper- oder Umgebungstermen besteht. Einfache Modelle wie Lennard‑Jones-Potentiale verwenden rein paarweise Beiträge und eignen sich für Edelgase oder grobe Kontinuumsparameter. Komplexere Potentiale, etwa Embedded Atom Method (EAM), Tersoff- oder Stillinger–Weber-Potentiale, berücksichtigen lokale Elektronendichten bzw. Bindungsordnung und sind für Metalle, Halbleiter und Legierungen etabliert.

Wesentliche Anforderungen an atomare Potentiale sind:

(i) Reproduzierbarkeit grundlegender Gleichgewichtseigenschaften (Gitterkonstanten, Elastizitätsmoduln, Defektbildungsenergien),
(ii) Übertragbarkeit auf unterschiedliche thermodynamische Zustände und Konfigurationen (Oberflächen, Versetzungen, Phasengrenzen),
(iii) numerische Effizienz für großskalige Simulationen.

Aktuelle Entwicklungen umfassen maschinell gelernte atomare Potentiale (z.B. auf Basis von Neuronalen Netzen oder Gaussian Process Regression), die aus umfangreichen ab initio-Datensätzen trainiert werden und eine Annäherung an DFT-Genauigkeit bei deutlich reduzierten Rechenkosten ermöglichen. Die Qualität eines atomaren Potentials bestimmt maßgeblich die Aussagekraft simulationsgestützter Vorhersagen zu Diffusion, Plastizität, Bruch und Phasenumwandlungen.