basically finished lda and gga
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index 46f871c..2aa0e3e 100644 (file)
@@ -277,7 +277,7 @@ It provides a stable algorithm that allows smooth changes of the system to new v
 \section{Denstiy functional theory}
 \label{section:dft}
 
 \section{Denstiy functional theory}
 \label{section:dft}
 
-Dirac declared that chemistry has come to an end, its content being entirely contained in the powerul equation published by Schr\"odinger in 1926 \cite{schroeder26} marking the beginning of wave mechanics.
+Dirac declared that chemistry has come to an end, its content being entirely contained in the powerul equation published by Schr\"odinger in 1926 \cite{schroedinger26} marking the beginning of wave mechanics.
 Following the path of Schr\"odinger the problem in quantum-mechanical modeling of describing the many-body problem, i.e. a system of a large amount of interacting particles, is manifested in the high-dimensional Schr\"odinger equation for the wave function $\Psi({\vec{R}},{\vec{r}})$ that depends on the coordinates of all nuclei and electrons.
 The Schr\"odinger equation contains the kinetic energy of the ions and electrons as well as the electron-ion, ion-ion and electron-electron interaction.
 This cannot be solved exactly and finding approximate solutions requires several layers of simplification in order to reduce the number of free parameters.
 Following the path of Schr\"odinger the problem in quantum-mechanical modeling of describing the many-body problem, i.e. a system of a large amount of interacting particles, is manifested in the high-dimensional Schr\"odinger equation for the wave function $\Psi({\vec{R}},{\vec{r}})$ that depends on the coordinates of all nuclei and electrons.
 The Schr\"odinger equation contains the kinetic energy of the ions and electrons as well as the electron-ion, ion-ion and electron-electron interaction.
 This cannot be solved exactly and finding approximate solutions requires several layers of simplification in order to reduce the number of free parameters.
@@ -329,13 +329,15 @@ E_0=\min_{n(\vec{r})}
   F[n(\vec{r})] + \int n(\vec{r}) V(\vec{r}) d\vec{r}
  \right\}
  \text{ ,}
   F[n(\vec{r})] + \int n(\vec{r}) V(\vec{r}) d\vec{r}
  \right\}
  \text{ ,}
+\label{eq:basics:hkm}
 \end{equation}
 where $F[n(\vec{r})]$ is a universal functional of the charge density $n(\vec{r})$, which is composed of the kinetic energy functional $T[n(\vec{r})]$ and the interaction energy functional $U[n(\vec{r})]$.
 \end{equation}
 where $F[n(\vec{r})]$ is a universal functional of the charge density $n(\vec{r})$, which is composed of the kinetic energy functional $T[n(\vec{r})]$ and the interaction energy functional $U[n(\vec{r})]$.
-The challenging problem of determining the exact ground-state is now formally reduced to the determination of the $3$-dimensional function $n(\vec{r})$ via a well-defined but not explicitly known functional of the charge density.
+The challenging problem of determining the exact ground-state is now formally reduced to the determination of the $3$-dimensional function $n(\vec{r})$, which minimizes the energy functional.
+However, the complexity associated with the many-electron problem is now relocated in the task of finding the well-defined but, in contrast to the potential energy, not explicitly known functional $F[n(\vec{r})]$.
 
 
-It is worth to note, that this minimal principle may be regarded as exactification of TF theory, which is rederived by the approximations
+It is worth to note, that this minimal principle may be regarded as exactification of the TF theory, which is rederived by the approximations
 \begin{equation}
 \begin{equation}
-T=\int n(\vec{r})\frac{3}{10}k_{\text{F}}^2[n(\vec{r})]d\vec{r}
+T=\int n(\vec{r})\frac{3}{10}k_{\text{F}}^2(n(\vec{r}))d\vec{r}
 \text{ ,}
 \end{equation}
 \begin{equation}
 \text{ ,}
 \end{equation}
 \begin{equation}
@@ -345,12 +347,94 @@ U=\frac{1}{2}\int\frac{n(\vec{r})n(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}d\vec{r
 
 \subsection{Kohn-Sham system}
 
 
 \subsection{Kohn-Sham system}
 
-Now find $F[n]$ ...
+Inspired by the Hartree equations, i.e. a set of self-consistent single-particle equations for the approximate solution of the many-electron problem \cite{hartree28}, which describe atomic ground states much better than the TF theory, Kohn and Sham presented a Hartree-like formulation of the Hohenberg and Kohn minimal principle \eqref{eq:basics:hkm} \cite{kohn65}.
+However, due to a more general approach, the new formulation is formally exact by introducing the energy functional $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$, which accounts for the exchange and correlation energy of the electron interaction $U$ and possible corrections due to electron interaction to the kinetic energy $T$.
+The respective Kohn-Sham equations for the effective single-particle wave functions $\Phi_i(\vec{r})$ take the form
+\begin{equation}
+\left[
+ -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + V_{\text{eff}}(\vec{r})
+\right] \Phi_i(\vec{r})=\epsilon_i\Phi_i(\vec{r})
+\label{eq:basics:kse1}
+\text{ ,}
+\end{equation}
+\begin{equation}
+V_{\text{eff}}=V(\vec{r})+\int\frac{e^2n(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}'
+ + V_{\text{xc}(\vec{r})}
+\text{ ,}
+\label{eq:basics:kse2}
+\end{equation}
+\begin{equation}
+n(\vec{r})=\sum_{i=1}^N |\Phi_i(\vec{r})|^2
+\text{ ,}
+\label{eq:basics:kse3}
+\end{equation}
+where the local exchange-correlation potential $V_{\text{xc}}(\vec{r})$ is the partial derivative of the exchange-correlation functional $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$ with respect to the charge density $n(\vec{r})$ for the ground-state $n_0(\vec{r})$.
+The first term in equation \eqref{eq:basics:kse1} corresponds to the kinetic energy of non-interacting electrons and the second term of equation \eqref{eq:basics:kse2} is just the Hartree contribution to the interaction energy.
+%\begin{equation}
+%V_{\text{xc}}(\vec{r})=\frac{\partial}{\partial n(\vec{r})}
+% E_{\text{xc}}[n(\vec{r})] |_{n(\vec{r})=n_0(\vec{r})}
+%\end{equation}
+
+The system of interacting electrons is mapped to an auxiliary system, the Kohn-Sham (KS) system, of non-interacting electrons in an effective potential.
+The exact effective potential $V_{\text{eff}}(\vec{r})$ may be regarded as a fictious external potential yielding a gound-state density for non-interacting electrons, which is equal to that for interacting electrons in the external potential $V(\vec{r})$.
+The one-electron KS orbitals $\Phi_i(\vec{r})$ as well as the respective KS energies $\epsilon_i$ are not directly attached to any physical observable except for the ground-state density, which is determined by equation \eqref{eq:basics:kse3} and the ionization energy, which is equal to the highest occupied relative to the vacuum level.
+The KS equations may be considered the formal exactification of the Hartree theory, which it is reduced to if the exchange-correlation potential and functional are neglected.
+In addition to the Hartree-Fock (HF) method, KS theory includes the difference of the kinetic energy of interacting and non-interacting electrons as well as the remaining contributions to the correlation energy that are not part of the HF correlation.
+
+The self-consistent KS equations \eqref{eq:basics:kse1}, \eqref{eq:basics:kse2} and \eqref{eq:basics:kse3} may be solved numerically by an iterative process.
+Starting from a first approximation for $n(\vec{r})$ the effective potential $V_{\text{eff}}(\vec{r})$ can be constructed followed by determining the one-electron orbitals $\Phi_i(\vec{r})$, which solve the single-particle Schr\"odinger equation for the respective potential.
+The $\Phi_i(\vec{r})$ are used to obtain a new expression for $n(\vec{r})$.
+These steps are repeated until the initial and new density are equal or reasonably converged.
+
+Again, it is worth to note that the KS equations are formally exact.
+Assuming exact functionals $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$ and potentials $V_{\text{xc}}(\vec{r})$ all many-body effects are included.
+Clearly, this directs attention to the functional, which now contains the costs involved with the many-electron problem.
 
 \subsection{Approximations for exchange and correlation}
 
 \subsection{Approximations for exchange and correlation}
+\label{subsection:ldagga}
+
+As discussed above, the HK and KS formulations are exact and so far no approximations except the adiabatic approximation entered the theory.
+However, to make concrete use of the theory, effective approximations for the exchange and correlation energy functional $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$ are required.
+
+Most simple and at the same time remarkably useful is the approximation of $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$ by a function of the local density \cite{kohn65}
+\begin{equation}
+E^{\text{LDA}}_{\text{xc}}[n(vec{r})]=\int\epsilon_{\text{xc}}(n(\vec{r}))n(\vec{r}) d\vec{r}
+\text{ ,}
+\label{eq:basics:xca}
+\end{equation}
+which is, thus, called local density approximation (LDA).
+Here, the exchange-correlation energy per particle of the uniform electron gas of constant density $n$ is used for $\epsilon_{\text{xc}}(n(\vec{r}))$.
+Although, even in such a simple case, no exact form of the correlation part of $\epsilon_{\text{xc}}(n)$ is known, highly accurate numerical estimates using Monte Carlo methods \cite{ceperley80} and corresponding paramterizations exist \cite{perdew81}.
+Obviously exact for the homogeneous electron gas, the LDA was {\em a priori} expected to be useful only for densities varying slowly on scales of the local Fermi or TF wavelength.
+Nevertheless, LDA turned out to be extremely successful in describing some properties of highly inhomogeneous systems accurately within a few percent.
+Although LDA is known to overestimate the cohesive energy in solids by \unit[10-20]{\%}, the lattice parameters are typically determined with an astonishing accuracy of about \unit[1]{\%}.
+
+More accurate approximations of the exchange-correlation functional are realized by the introduction of gradient corrections with respect to the density \cite{kohn65}.
+Respective considerations are based on the concept of an exchange-correlation hole density describing the depletion of the electron density in the vicinity of an electron.
+The averaged hole density can be used to give a formally exact expression for $E_{\text{xc}}[n(vec{r})]$ and an equivalent expression \cite{kohn96,kohn98}, which makes use of the electron density distribution $n(~\vec{r})$ at positions $~\vec{r}$ near $\vec{r}$, yielding the form
+\begin{equation}
+E_{\text{xc}}[n(vec{r})]=\int\epsilon_{\text{xc}}(\vec{r};[n(~\vec{r})])n(\vec{r}) d\vec{r}
+\end{equation}
+for the exchange-correlation energy, where $\epsilon_{\text{xc}}(\vec{r};[n(~\vec{r})])$ becomes a nearsighted functional of $n(~\vec{r})$.
+Expressing $n(~\vec{r})$ in a Taylor series, $\epsilon_{\text{xc}}$ can be thought of as a function of coefficients, which correspond to the respective terms of the expansion.
+Neglecting all terms of order $\mathcal{O}(\nabla n(\vec{r})$ results in the functional equal to LDA, which requires the function of variable $n$.
+Including the next element of the Taylor series introduces the gradient correction to the functional, which requires the function of variables $n$ and $|\nabla n|$.
+This is called the generalized gradient approximation (GGA), which expresses the exchange-correlation energy density as a function of the local density and the local gradient of the density.
+\begin{equation}
+E^{\text{GGA}}_{\text{xc}}[n(vec{r})]=\int\epsilon_{\text{xc}}(n(\vec{r}),|\nabla n(\vec{r})|)n(\vec{r}) d\vec{r}
+\text{ .}
+\end{equation}
+These functionals constitute the simplest extensions of LDA for inhomogeneous systems.
+At modest computational costs gradient-corrected functionals very often yield much better results than the LDA with respect to cohesive and binding energies.
+
+\subsection{Plane-wave basis set}
 
 \subsection{Pseudopotentials}
 
 
 \subsection{Pseudopotentials}
 
+\subsection{Brillouin zone sampling}
+
+\subsection{Hellmann-Feynman forces}
+
 \section{Modeling of defects}
 \label{section:basics:defects}
 
 \section{Modeling of defects}
 \label{section:basics:defects}