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Towards an exact description of electronic wavefunctions in real solids

机译：精确描述固体中的电子波函数

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摘要

The properties of all materials arise largely from the quantum mechanics of their constituent electrons under the influence of the electric field of the nuclei. The solution of the underlying many-electron Schrodinger equation is a 'non-polynomial hard' problem, owing to the complex interplay of kinetic energy, electron-electron repulsion and the Pauli exclusion principle. The dominant computational method for describing such systems has been density functional theory. Quantum-chemical methods-based on an explicit ansatz for the many-electron wavefunctions and, hence, potentially more accurate-have not been fully explored in the solid state owing to their computational complexity, which ranges from strongly exponential to high-order polynomial in system size. Here we report the application of an exact technique, full configuration interaction quantum Monte Carlo to a variety of real solids, providing reference many-electron energies that are used to rigorously benchmark the standard hierarchy of quantum-chemical techniques, up to the 'gold standard' coupled-cluster ansatz, including single, double and perturbative triple particle-hole excitation operators. We show the errors in cohesive energies predicted by this method to be small, indicating the potential of this computationally polynomial scaling technique to tackle current solid-state problems.%固体材料的计算描述目前主要采用基于“密度泛函理论”的方法。采用基于波函数的量子化学方法会更有吸引力，也可能会更准确，尽管后者由于所涉及到的复杂计算尚未引起很多关注。现在，George Booth及其同事介绍了有助于降低这类量子化学方法的计算成本和复杂性的最新进展如何为它们对各种真实固体材料的成功应用开辟了道路。
机译：所有材料的特性在很大程度上取决于其组成电子在原子核电场的影响下的量子力学。由于动能，电子-电子排斥和保利排斥原理之间的复杂相互作用，基本的多电子薛定inger方程的解决方案是一个“非多项式硬”问题。描述这种系统的主要计算方法是密度泛函理论。量子化学方法-基于显式ansatz的多电子波函数，因此可能更准确-由于其计算复杂性，因此在固态状态下尚未得到充分探索，其范围从强指数到高阶多项式系统大小。在这里，我们报告了一种精确的技术，即完全配置相互作用的量子蒙特卡洛法在各种实际固体中的应用，提供了参考多电子能量，这些能量被用来严格地对量子化学技术的标准层次进行基准测试，直至达到“金标准”耦合集群的ansatz，包括单个，双重和扰动的三重粒子孔激发算子。我们显示，用这种方法预测的内聚能误差很小，表明该计算多项式缩放技术可以解决当前的固态问题。％固体材料的计算描述目前主要采用“密度泛函理论”的方法。采用基于波函数的量子化学方法会更缩小，也可能会更准确，甚至由于导致所涉及到的复杂计算而引起很多关注。现在，George Booth及其同事介绍了有助于降低这类量子化学方法的计算成本和复杂性的最新进展如何为它们对各种真实固体材料的成功应用开辟了道路。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2013年第7432期|365-370qt3|共7页
  • 作者

    George H. Booth; Andreas GruEneis; Georg Kresse; Ali Alavi;

  • 作者单位

    University of Cambridge, Chemistry Department, Lensfield Road, Cambridge CB2 1EW, UK;

    University of Cambridge, Chemistry Department, Lensfield Road, Cambridge CB2 1EW, UK,University of Vienna, Faculty of Physics and Center for Computational Materials Science, Sensengasse 8/12, A-1090 Vienna, Austria;

    University of Vienna, Faculty of Physics and Center for Computational Materials Science, Sensengasse 8/12, A-1090 Vienna, Austria;

    University of Cambridge, Chemistry Department, Lensfield Road, Cambridge CB2 1EW, UK;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
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