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DFT(Prof.Lislecture)
密度泛函理论
对多粒子系统的计算,近似是不可避免的。绝热近似将原子核的运动和电子的运动分开。Hartree-Fock近似将多电子问题简化为单电子问题。密度泛函理论在Hartree-Fock近似的基础上进一步考虑了交换能和关联能,更加准确地描述了多电子系统。
1. Born-Oppenheimer绝热近似
固体系统的总哈密顿量(无外场)为
(1.1)
其中
(1.2)
(1.3)
(1.4)
记原子坐标为,电子坐标为。因为原子核质量远远大于电子质量,可以忽略原子核的动能。在解电子态是认为原子核处于瞬时位置不动。在计算核的运动时不考虑电子的空间具体分布。
(1.5)
电子的薛定谔方程为
(1.6)
(1.7)
原子核的薛定谔方程为
(1.8)
其中
(1.9)
(1.10)
忽略高阶小量,原子核的运动方程为
(1.11)
总波函数为
(1.12)
2. Hartree-Fock近似
考虑N个电子的系统,取,和,不包括自旋-轨道耦合的哈密顿量为
(2.1a)
(2.1b)
(2.1c)
我们的目标是求薛定鄂方程的基态解:
(2.2)
假设第个电子处于某个单电子态中,其中代表电子的位矢和自旋自由度。近似认为系统的波函数是N个单电子波函数的乘积(Hartree近似),进一步考虑到全同电子波函数的交换对称性,系统的近似波函数由Slater行列式给出,
(2.3)
其中是一些待定的单电子波函数,假设已经正交归一化。如何选取式中的单电子波函数才能使近似最优呢?变分法可以给出答案。
第一步是写出平均能量的表达式。
(2.4)
对应最优基态解,平均能量E对变分为零。为了保证的正交归一化,需要引入拉格朗日乘子
(2.5)
由此得到
(2.6)
(2.7)
其中
(2.8)
易见,因此是厄米算符。取(2.7)的复共轭后减去(2.6)式得,
(2.9)
因为是线性独立的,所以,即是一厄米矩阵。它可以通过一个幺正变换对角化。设
(2.10)
(2.11)
其中。新的单电子基函数满足的方程为
(2.12)
上式就是Hartree-Fock方程。因为没有自旋-轨道耦合,我们可以将自旋自由度去掉。实际上的第二项对自旋自由度的求和贡献因子1,可以省略掉。由于自旋波函数的正交性,第三项中和的自旋必须平行。故Hartree-Fock方程可以写成
(2.13)
其中
(2.14)
表示单电子态和的自旋互相平行。
引入
(2.15)
(2.16)
求和只对被电子占据的态进行。是总电荷密度(包括正在讨论的电子),与自相互作用和泡利不相容原理引起的效应有关。后者与所考虑电子的位置有关。显然
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