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第一性原理计算简介 在物理学中,第一性原理计算或称从头计算是指,基于构建物理学的基础定理,不作任何假设,例如:经验模型和拟合参数,所进行的计算研究。特别地,在凝聚态物理中,指的是运用薛定愕方程在一定的近似情况下,但不包括拟合实验数据所得到的参数和模型,对物质的电子结构进行计算r从而得到所研究物质的性质的一种研究方法。近些年,随着计算机技术的飞速发展,其运算能力越来越强大,使得人们可以处理更庞大更繁杂的物质结构体系,同时也使得计算物理成为了现代物理学,尤其是在凝聚态物理领域的一个重要分支。众所周知,固体是由相对重且带正电的粒子——原子核,以及相对轻且带负电的粒子——电子聚集在一起构成的。如果有个原子,需要处理的问题是包含有N+ZN(Z为原子核所含的质子的个数)个粒子的电磁相互作用,是一个多体问题。另一方面,由于处理的是微观粒子的运动,所以需要运用量子力学来描述其基本的运动规律和相互作用。对于该系统,精确的多粒子哈密顿量可以写作: Fuuuuuuuuj 其中位于為处的原子核的质量为M,.,位于巧处的电子的质量为m一第一项是原子核的动能算符,第二项是电子的动能算符。后三项分别是描述电子与原子核,单个电子与其它电子以及单个原子核与其它原子核之间的库伦相互作用。很显然,直接精确求解(1.64)式几乎是不可能的。为了在合理的近似条件下得到体系的本征值,需要作不同层次的近似。 1.3.1波恩-奥本海默(Bom-Oppenheimer)近似 由于原子核的质量远大于电子质量,所以,原子核的运动速度远小于电子。因此,可以将原子“冻结”在固定的位置,并假设电子在瞬时与原子核是平衡的。或者说,只有电子在这个多体问题中是考察对象,原子核仅仅被当作一个带正电的外源场,相对于电子云是外在独立的。该近似被称为波恩-奥本海默(Bom-Oppenheimer)近似。原来的多体问题被简化成在原子的静电势下,瓜个带负电的粒子的相互作用。波恩-奥本海默认为,原子核不再运动,其动能为零,因此,(1.64)式的第一项被消除,最后一项退化为常数。(1.64)式简化为只含有电子气的动能,电 子与电子之间的相互作用所产生的势能,以及电子在可看作外源的原子核的势中的势能。(1.64)式可重写为: H = f + V + V^, 值得注意的是,(1.65)式中的动能以及电子与电子间的相互作用只取决于所处理的是系统是多电子系统,而不是多质子系统中强的原子内部作用力,并不依赖于特定的多电子系统本身,例如,Br2或者水分子,Cu还是Fe, bcc-Fe还是fcc-Fe,等等。因此,前两项是普适的,包含特定系统信息的部分均在第三项中。 1.3.2 密度泛函理论(Density functional theory) 在波恩-奥本海默近似后,该量子多体问题得到了极大的简化,但是,依然很难直接求解。存在许多方法将方程(1.65)进一步近似变为易于处理的形式,历史上非常重要的是Hartree-Fock方法。该方法在处理原子以及分子时效果很好,因此在量子化学中被广泛使用。但对于处理固体问题,其精度不够高。本文中使用的是更为现代且可能更强大的方法:密度泛函理论。 密度泛函理论的建立可以追溯到1964年Hohenberg和Kohn[7]提出的两条定理。 1.3.2.1 Hohenberg-Kohn 定理 两条定理的原始表述如下: 第一定理:多电子体系(原子,分子,固体)基态时的电荷密度pOO与外源的势之间存在着一一对应。直接的结果是导致任意可观察量的算符d的基态期望值与基态的电子密度存在唯一泛函: 第二定理:对于为哈密顿量片的情况,基态总能的泛函M的形式如下: [p]=〈叫f + v\力 +〈叫q平〉 (1.67) 其中Hohenberg-Kohn密度泛函[p]对任何多电子体系都适用。Ey…[p\在厂` 所对应的基态密度下达到最小值(等于基态的总能)。 以上定理思想的三个关键词为可逆性(一一对应,pr^V找丨)、普适性和变分方法(最小值)。下面对三个关键词进行阐述: 第一,基态密度与外源的势一一对应。很显然,对于一个给定的多电子体系存在一个对应的外源势,通过哈密顿量(1.65)和薛定愕方程得到一个唯一的基态多粒子波函数。从该波函数出发,容易求得相应的电子密度。因此,任一外源势都可以通过明确的方法得到一个唯一的与之对应的基态密度。并且,基态密度中包含信息同波函数一样多,包括所有可能知道的关于原子、分子和固体的信息。所有可观测量都能用唯一的方式从密度中得到,也就是说,均为密度的泛函。 第二,尸“^厂]的普适性。等式(1.68)可以容易地通过密度算符写出,正印证了在得到基态密度后,外源势对总能的贡献可以精确地计算得到。 Hohenberg-Kohn泛函的表达式不能确切给出,但是,由于不含任何原子以及其位置的信