第三章 密度泛函理论(DFT)的基础-密度矩阵与多体效应

1,第三章密度泛函理论（DFT）的基础密度矩阵与多体效应,3.1引言3.2外部势场中的电子体系3.3多体波函数3.4Slater行列式3.5一阶密度矩阵和密度3.6二阶密度矩阵和2-电子密度3.7变分原理3.8小结,2,3.1引言,1。为了计算电子体系所涉及的量，我们需要处理电子多体问题的理论和技术。本章将首先解释处理多体问题的某些重要概念（如多体波函数、交换和关联效应等），然后简短地给出不同的从头算方法，重点是审查DFT的基础，回答为何DFT可以用电子密度作为基本变量，并阐述DFT的物理基础。2。所有的方法都将与波函数有关联，或者与由波函数导出的量相关。例如密度矩阵或密度，这些将在前26节详述。另一个重要的概念是变分原理，将在第7节介绍。,3,3.2外部势场中的电子体系,1。如果研究的对象是固体中的电子，这里外部势场不是指外加的电磁场，而是核和其它电子构成的势场。这时体系的Hamiltonian和Schrdinger方程如下：,(2.5),(2.6),在此，R是一个固定参数。2。在从头算方法中，电子加经典的核组成的体系的能量En(R)被称为“总能”。这是一种习惯的称呼，其实声子能量的修正也应当包括在“真正的”总能之中。总能可以被分解为纯粹经典的静电能，即核-核相互作用部分和其余的电子部分：,(3.1),4,3。因为把核的位置作为固定参数，可以把核位置指标拿掉，以后就用下面的Schrdinger方程进行工作：,(3.2),其中，N现在是电子数。而,是电子-离子相互作用势。,(3.3),5,3.3多体波函数,1。一项简化：为了处理问题简单和便于解释物理概念，本章的绝大部分篇幅都忽略自旋波函数和自旋指标。加上它是直接的，这将在本章最后作一简述。2。多体波函数的反对称性多体波函数的归一化满足,要记住这个波函数在置换任何2个粒子坐标时应该是反对称的。如果考虑N-粒子置换群的任何一个操作P，将有,例如，假定是交换第1和第2粒子，则有,(3.4),(3.5),(3.6),6,3。反对称算符现在定义反对称算符,这个算符将选择函数的反对称部分，使得对于每一个函数，AN是反对称的。如果是反对称的，则AN=所以，AN是一个投影算符，有ANAN=AN,(3.7),(3.8),(3.9),4。描述N-body波函数(离散方式)的困难从Schrdinger方程(3.2)的解详细描述N-body波函数是一项相当困难的任务。即使是一个one-body波函数，从给定的几率振幅要找3D空间中每一点的单粒子，已经是一个复杂的事。何妨要描述的是N-body波函数！为了使读者对此困难有一个感觉，让我们假定现在是在一个离散的3D空间中工作。,7,假定离散空间中有M个点，一个one-body波函数应当描述在这些点的每一个点上找到粒子的几率振幅。所以one-body波函数就需要M个成员来描述。一个two-body波函数，即使不是反对称的，也必须给出在同一点找到粒子1，同时在某些其它点找到粒子2的几率振幅。要描述它，所需的成员数为M2。对于一般的N-body波函数，暂不考虑反对称，将必须有MN个成员。简单的组合公式便可以给出描述反对称N-body波函数的振幅的成员数是,用这个公式计算时，通常M比N大许多，所以它变成MN/(N!)。对于实际的体系，需要考虑自旋自由度，上述讨论尚需做适当修改。但不必担心这个，我们只需对此问题的size有一定观念即可。,(3.10),8,5。原子波函数复杂性的估算考虑实空间有10 x10 x10=1000个离散点。对于He原子，只有2个电子，按上述公式，离散的波函数将由1000 x999/2=500 x9995x105的一组成员来定义。这使得Schrdinger方程的离散方式是一个有5x105个矢量的本征矢问题。对于C，有6个电子，问题的维数是：1000 x999x998x997x996x995/(6x5x4x3x2)1015。如果考虑的离散点更多，将更为复杂。,9,3.4Slater行列式,1。多体波函数可以用“Slater行列式”展开得到，它是基于单体（单电子）轨道集合的反对称波函数。这个概念在今后的章节中都是有用的。定义Hartreeproducts:即N个one-body波函数的简单乘积。,(3.11),One-body波函数的归一化按(3.4)的定义进行：,(3.12),为了定义一个完整的反对称波函数，我们用反对称算符作用在Hartreeproduct上，于是多体波函数可以用行列式的形式被写出，并可用代数的技巧来处理它。这个行列式波函数就称为Slater行列式：,10,2。Slater行列式表示如下,(3.13),(3.14),如，行列式之值在如下变换下是不变的：（1）把一行（列）的值加到所有其它行（列）的线性组合上。（2）在one-body函数的么正变换下Slater行列式不变。这些均可选择为正交归一化的函数。Slater行列式就描述由one-body函数所span的Hilbert空间。,11,用二次量子化和场算符概念推导,粒子的场算符和场算符矩阵元可用粒子的湮灭和产生算符表示如下：,bi和bi+是动量为pi的粒子的湮灭和产生算符，其作用是湮灭和产生一个粒子。波函数是由场算符的矩阵元表示的。是真空态，即不存在粒子的态。,单粒子态,12,用二次量子化和场算符概念推导,先看”2-粒子态”：,(3.24),这是在i和j态先后产生一个粒子的2-粒子态。如果进一步假定它是玻色子或费米子，即可写出2-粒子态在位形空间的波函数并用单粒子波函数表示：,其中由算符的对易（反对易）而自动出现号（号），对应于玻色子（费米子）对粒子交换的对称（反对称）性。,(3.25),13,用二次量子化和场算符概念推导,N-粒子波函数把2-粒子波函数推广到N-粒子情形，其波函数写成,(3.26),其中是N个粒子状态各不相同的情形。,对于费米子，式（3.26）写成单粒子波函数的表达式，就是著名的Slater行列式：,(3.26),14,用二次量子化和场算符概念推导,在Slater行列式波函数中，i中的i表示不同的态ki，rj的下标j表示第j个粒子。这是描写近独立子系统组成的体系波函数。对应的态是一个一个产生算符先后独立的作用在真空态而形成的。2.如果体系的各个子系是强关联形成的态，如分数量子Hall效应(FQHE)的态，波函数不可能写成Slater行列式的形式。现在知道，其近似形式称为Laughlin波函数。,15,3。Hartree乘积波函数对比完全的波函数要简单得多。如果空间有M个离散点，则（3.11）的参数的数目为MxN，因为M个值就由每一个one-body波函数描述。这比起前面给的MN/(N!)要小得多。4。利用Hartree乘积波函数求其中一个粒子在一个点上的几率振幅，并不依赖于其它粒子处在什么地方，粒子之间是没有相互依赖性的。5。利用Slater行列式波函数求一个粒子在某一个点上的几率振幅，将依赖于其它粒子的位置，因为有反对称的要求。6。这种依赖性的形式比较简单，它被称为交换效应。7。还有一种依赖性是由无限制的反对称波函数关于Slater行列式的附加维数带来的，被称为关联效应。,16,3.5一阶密度矩阵和电子密度,1。降低问题的维数的另一个出发点是采用密度矩阵的概念提供的。首先，我们注意到Schrdinger方程（3.2）的Hamiltonian是相当简单的：它们是分别作用在所有粒子上的同一个算符的和，或者是分别作用在所有粒子对上的同一个算符的和。定义one-body算符为如下形式：,(3.15),其中算符i（i=1N）是分别作用在ith坐标上的同一个算符。电子-核相互作用算符和动能算符都是one-body算符（把核视为经典粒子）。,17,定义two-body算符如下：,(3.16),电子-电子相互作用算符就是two-body算符。2。性质如果Hamiltonian只由one-body算符组成，便有可能分离变量，而Schrdinger方程的本征函数应是one-body波函数的乘积，就像Hartreeproducts那样。如果计及反对称性的要求，波函数就是Slater行列式。这样，如果适当注意N-body波函数的对称性或反对称性要求，非相互作用粒子的N-body问题就简化为N个one-body问题。当然，two-body电子-电子相互作用算符的存在是许多复杂性的来源，因为这时不可能分离变量。,18,3。算符的期待值One-body算符的期待值是,(3.17),利用（及*）的反对称性，可得,(3.18),4。一阶密度矩阵为了定义密度矩阵，我们现在引入一个虚拟积分变量r1。这样O的期待值可重新写为,(3.19),(3.20),方括号中的量称为波函数的“一阶密度矩阵”：,(3.21),19,5。一阶密度矩阵的某些性质一阶密度矩阵是厄米的；一阶密度矩阵的全部本征值在（0,1）之间。其本征矢称为“自然轨道”（Naturalorbitals）。由一阶密度矩阵提供的资料可以用来计算每一个one-body算符的期待值：,例如局域势和动能算符的期待值分别如下：,注意，计算局域势的信息甚至被包含在局域密度中，因此,其中,是密度矩阵的对角部分。但计算动能的期待值需要整个密度矩阵。,(3.22),(3.23),(3.24),(3.25),(3.26),20,3.6二阶密度矩阵和2-电子密度,1。定义下面定义二阶密度矩阵。按上节的方法，有,所以二阶密度矩阵为,(3.27),(3.28),(3.29),(3.30),21,2。应用于算符期待值计算从(3.29)可以看出，如果已知二阶密度矩阵，就能够计算每一个two-body算符的期待值。实际上，由此也可以计算one-body算符的期待值。因为有(3.21)，它与一阶密度矩阵相联系。于是,(3.31),电子-电子相互作用算符的期待值,(3.32),(3.33),此式可用来定义two-particle密度（或对关联函数）。,22,Two-particle密度（或对关联函数）根据(2.30)及(2.33)，找到一对电子（其中之一在r1，另一在r2）的几率是,于是，电子-电子相互作用算符的期待值变成,(3.34),(3.35),综合(3.24)(3.25)(3.26)(3.31)和(3.35)，可见只要有二阶密度矩阵的知识，就可以得到Hamiltonian的期待值，因此也得能量。而多体波函数是不需要的。也可以证明，二阶密度矩阵是厄米的。交换它的前两个或最后两个自变量，它是反对称的。,23,3。密度和two-electron密度的几个性质密度的积分电子数N:Two-electron密度的积分N(N-1)/2:以上二者均0密度与two-electron密度的关系为：,(3.36),(3.37),(3.38),上式启发人们引进熟知的“exchange-correlationhole”的概念。,24,4。交换-关联空穴如果已知在r1有一个电子，要问在r2找到一个电子的“条件反应几率（conditionalprobability）”有多大？可以证明这个几率为,(3.39),式(3.38)表明，这个几率的积分（N-1）。体系有N个电子，有一个电子在r1，所以其它的电子有N-1个。r1的电子是不在条件反应几率中的。这里定义的在r1处电子的交换关联空穴是P(r2|r1)和n(r2)之间的差：,(3.40),从(3.36)(3.38)和(3.40)，这个量的积分1,(3.41),25,5。Hartree能上式的这个限制是（3.40）的结果，加上考虑几率P(r2|r1)必需为正，便有,交换关联空穴关于它的自变量的交换不是对称的，但下式成立：,(3.42),(4.43),把(3.39)(3.40)引入(3.35)，可得,(3.44),第一项被称为Hartree能：,(3.45a),26,6。交换关联能可以把(3.44)的第二项称为交换关联能。,注意EH这个名称并不严格，因为对均匀电子气，用Hartree乘积波函数时,上式第二项不出现，但在一般情形下不是这样。例如流体电动力学（带电的流体）的表达式就是这样。,不过，最好是把这个名称留给DFT中一个非常相似的量。直观地看，这一项应当比Hartree能小得多，因为交换关联空穴的积分是负值，它相对于电子数是一个很小的量（至少在分子和固体中是如此）。当然，密度是在整个空间弥散的，而交换关联空穴则集中在它的电子附近。第二项的确比Hartree能小许多。,(3.45b),27,7。电子Hamiltonian的期待值利用密度、密度矩阵和交换关联空穴的概念，最后可以得到电子Hamiltonian的期待值的表达式：,(3.46),上式4项分别是动能，它实际上是由波函数来计算的；局域势能，由局域势和波函数计算；Hartree能，电子间的库仑相互作用能；交换关联能，是n的泛函，包含所有困难的项，它可以近似视为一种短程效应。即对r点的效应只依赖于r附近的电子密度。这一点与动能及Hartree能是不同的。,28,交换空穴,在r点处的每一个电子周围，其他电子被排斥，而在r0处形成一个空穴n(r;r0)。Pauli原理（交换）产生的空穴与所有电子（包括所考虑的电子）的平均密度对比，是准确的损失一个电子。Correlation效应产生电子重新排列，但它仍然准确的损失一个电子。其能量是由与空穴的相互作用给出的，空穴是对所有的耦合常数e2求平均得到的。,29,3.7变分原理,1。复习几个有关的数学定义（变分原理的数学准备）到现在为止，我们引进的概念都可以用来研究电子的基态能量和激发态能量。然而还有另一种有力的数学工具变分原理，它可为基态能量的期待值提供变分的约束。,称函数f(x)在点x0处有极值，如果它是一个局域极小值或极大值。当x是x0的任一个近邻，那么x0为f(x)的极小值和极大值时分别有,称函数f(x)在点x0处是固定的(stationary),如果存在两个实的正的和非0的常数K和，使得,(3.47),(3.48),(3.49),可见f(x0)的估计误差小于x0的线性误差。,30,如果函数f(x)及其一阶导数都是连续，固定的，则有可见f(x)的误差随x误差的递减是二次关系。如果函数f(x)及其一阶导数都是连续的，并存在一个局域极值。则f(x)在它的极值处也是固定的。例如对一个极小值，有这说明f(x)的误差是正的，而且按平方律随x的误差减小。但是逆定理不成立：在x0点固定的一个函数f(x),通常在该点未必有极值。例如有两个变数的函数的鞍点；一维的函数|x|3等。现在可以说，如果某个问题的解x0使得某函数f(x)在x0处是固定的，则与该问题相关联有一个变分原理。如果这个问题的解x0使得某函数f(x)在x0处有极值，与此问题相关联的还有一个极值原理或变分限。,(3.50),(3.51),31,2。量子力学变分原理现在把上节的数学定义应用于量子力学。有一个确定Hamiltonian的本征函数的变分原理：在本征函数归一化的限制下，Hamiltonian的期待值(3.52)对于所有的本征函数是变分的。对于基态本征函数（和本征值），甚至有变分限：(3.53)变分限允许我们给出基态能量的上限（能量最小原理）。,3。基态能量的下限Winstein判据（1934）利用Winstein判据可以得到本征值的下限，而且，这个判据不只对基态，对任何近似的态也是有效的。论证参考：Phys.Rev.B44,10365(1991)。,(E为近似能量),(E0为精确的能量),32,4。态的剩余矢量（residuevector）用能量期待值定义为,(3.54),剩余矢量的长度能量期待值的变化：,Winstein判据说，在如下的间隔内，至少可以找到一个本征值：,(3.55),(3.56),这是一个相当松散的判据。的确，如果定义与尝试波函数有关的误差