k空间和R空间的LRI矩阵元
1.一些初步的认识
1.1周期边界条件在R空间产生的镜像BVK超胞
考虑k=4×4×1的这样一个BvK超胞
| Rx=-1 | Rx=0 | Rx=1 | Rx=2 | Rx=3 | Rx=4 |
|---|
| Ry=-1 | | I'4 | | I'3 | | I | | I | | I | | I |
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
| Ry=0 | | I'2 | | I1 | | I | | I | | I2 | | I |
|---|
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
| Ry=1 | | I | | I | | I | | I | | I | | I |
|---|
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
| Ry=2 | | I | | I | | I | | I | | I | | I |
|---|
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
| Ry=3 | | I | | I3 | | I | | I | | I4 | | I |
|---|
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
| Ry=4 | | I | | I | | I | | I | | I | | I |
| J | | J | | J | | J | | J | | J | |
虽然实际上V(R={3,0,0})=V(R={−1,0,0}),但当我们对实际空间的所有R傅里叶变换到4×4×1的k空间,再反傅里叶变换回R空间时,就会有
V(R)=Nk1k∈BZ∑R′∈all∑V(R′)eik(R′−R)=R′∈all∑V(R′)δ(R′−R−nRBvK)=n∑V(R+nRBvK)
也就是出现了周期性,对于刚刚的例子就是V(R={3,0,0})=V(R={−1,0,0})。在图中,尽管实际上原子I1离原子I2有3个晶格常数,但周期边界条件会把它等价到镜像超胞的原子I2'上,最终的库仑势为所有等价原子的库伦积分之和。
同理,V(R={3,0,0})=V(R={0,−1,0});V(R={3,3,0})=V(R={−1,−1,0}) 。从这个意义上来说,BvK超胞的最短尺寸应当大于库伦积分截断半径(基函数半径× rpa_ccp_rmesh_times)的2倍。
同样的,虽然原始的C并不具有周期性Cs(0)t(3,0,0)μ(0)=Cs(0)t(−1,0,0)μ(0),Cs(0)t(0,3,0)μ(0)=Cs(0)t(0,−1,0)μ(0),Cs(0)t(3,3,0)μ(0)=Cs(0)t(−1,−1,0)μ(0) ,但最终参与计算的C将所有等价原胞折叠到一起Cs(0)t(−1,0,0)μ(0)=Cs(0)t(−1,0,0)μ(0)+Cs(0)t(3,0,0)μ(0)+⋯
1.2k空间是R空间分块对角化的结果
在k=4×1×1的一个BvK超胞中,R空间的哈密顿量具有平移对称性,利用这一性质可以在原胞尺度上对哈密顿量做分块对角化,只剩下k的对角块
Hst(R)=⟨ψs(r−τs)∣H^∣ψt(r−τt−R)⟩↔H(0)H(−1)H(2)H(1)H(1)H(0)H(−1)H(2)H(2)H(1)H(0)H(−1)H(−1)H(2)H(1)H(0)=41ei0ei0ei0ei0ei0eiπ/2eiπei3π/2ei0eiπei0eiπei0ei3π/2eiπeiπ/2H(k=0)0000H(k=1)0000H(k=2)0000H(k=−1)ei0ei0ei0ei0ei0e−iπ/2e−iπe−i3π/2ei0e−iπei0e−iπei0e−i3π/2e−iπe−iπ/2
把矩阵乘回去可以验证H(k)=∑RH(R)eikR, H(R)=Nk1R∑H(k)e−ikR ,所以k空间相当于以不同的模式把R空间折叠起来,得到分块对角的哈密有量,这样得到Nk个降低了Nk倍维度的哈密顿矩阵,每一个矩阵的表象变成了ψ(k)=Nk1R∑ψ(R)eikR(对称约定),或者ψ(k)=R∑ψ(R)eikR(不对称约定,和H的变换形式一致,但要注意这个约定的变换不么正,表象变换需要套相似变换而不等于合同变换)。下面两个公式说明了为什么H的变换形式不对称
⟨ψ(k1)∣H^∣ψ(k2)⟩R2↔R1+R=R1,R2∑Nk1e−ik1R1⟨ψ(R1)∣H^∣ψ(R2)⟩eik2R2=R1,R∑Nk1ei(k2−k1)R1H(R)eik2R=R∑H(R)eik2Rδk1,k2
⟨ψ(R1)∣H^∣ψ(R2)⟩R2↔R1+R=k1,k2∑Nk1eik1R1⟨ψ(k1)∣H^∣ψ(k2)⟩e−ik2R2=k1,k2∑Nk1e−ik2RH(k1)δk1,k2ei(k1−k2)R1=Nk1k∑H(k)e−ikR
另外值得注意的是,实空间的矩阵需要满足Hst(R)=Hts(−R)(实数情况,对于复数还要多个复共轭),这样才能保证k空间矩阵的厄米性
Hst(k)=R∑Hst(R)eikR=R∑Hts(−R)eikR=R↔−RR∑Hts(R)e−ikR=Hts∗(k)
2. k空间和R空间的公式
采用以下记号
分子轨道记号:电子:ij;空穴:ab
原子轨道记号:stuv
辅助基: μν
2.1 V(μν 标记辅助基)
间隔R的原胞之间实辅助基组的库伦积分组成库伦矩阵
VμνR=∬∣r−r′∣Pμ(r−τμ)Pν(r′−R−τν)drdr′
现在将辅助基从单中心变成布洛赫波函数
Pμk(r)=R∑Pμ(r−R−τμ)eik⋅R
Vμνk′kR′↔R+R′′r′↔r′′′+Rr↔r′′+R=∬drdr′∣r−r′∣Pμk′∗(r)Pνk(r′)(这个全空间积分是发散的,下面把R限制在BvK)=∬drdr′∣r−r′∣1RR′∑Pμ(r−R−τμ)Pν(r′−R′−τν)ei(kR′−k′R)=∬drdr′∣r−r′∣1RR′′∑Pμ(r−R−τμ)Pν(r′−R−R′′−τν)ei[(k−k′)R+kR′′]=∬dr′′dr′′′∣r′′−r′′′∣1R′′∑Pμ(r′′−τμ)Pν(r′′′−R′′−τν)eikR′′R∑ei(k−k′)R=R′′∑VμνR′′eikR′′NRδk,k′
可见只有相同k指标的布洛赫辅助基才有非零的库伦积分,下一节会看到,辅助基的k指标只和展开的一对原子基的布洛赫波矢之差有关,故统一用q标记这一准动量转移,并记作
Vμν(q)≡R∑Vμν(R)eiq⋅R
实际计算中,R的范围与库伦积分截断半径(ccp_rmesh_times)有关。
2.2 C(st标记原子基)
关于C系数
ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)=μ,Rμ∑Cs(Rs),t(Rt)μ(Rμ)Pμ(r−Rμ−τμ)
其具有平移不变性
Cs(Rs),t(Rt)μ(Rμ)=⟨ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)∣V^∣Pν(r−Rν−τν)⟩[VνμR]−1=⟨ϕs(r−τs)ϕt(r−Rt+Rs−τt)∣V^∣Pν(r−Rν+Rs−τν)⟩[VνμR]−1=Cs(0),t(Rt−Rs)μ(Rμ−Rs)
和st对换不变性
Cs(Rs),t(Rt)μ(Rμ)=Ct(Rt),s(Rs)μ(Rμ)
采用LocalRI,将辅助基中心(Rμ+τμ) 限定在两个原子轨道中心上
Cs(Rs),t(Rt)μ(μ∈S/T)=⟨ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)∣V^∣Pν(r−Rν−τν)⟩[Vνμμ∈S/T]−1
ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)=μ∈S∑Cs(Rs),t(Rt)μ(Rs)Pμ(r−Rs−τs)+μ∈T∑Cs(Rs),t(Rt)μ(Rt)Pμ(r−Rt−τt)=μ∈S∑Cs(0),t(Rt−Rs)μ(0)Pμ(r−Rs−τs)+μ∈T∑Cs(Rs−Rt),t(0)μ(0)Pμ(r−Rt−τt)
其中Cs(R)t(0)μ(0)=Ct(0)s(R)μ(0) 可以通过交换st指标,使得第一个原子基和辅助基中心再次相等。
现在考虑在布洛赫表象下写出原⼦轨道
ϕtk(r)=Rt∑ϕt(r−Rt−τt)eikRt
它被布洛赫辅助基展开的系数是
第二项Rs↔Rs′+Rt第一项Rt↔Rt′+Rsϕsk2∗(r)ϕtk1(r)=RsRt∑ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)ei[k1⋅Rt−k2⋅Rs]=RsRt∑μ∈S∑Cs(Rs),t(Rt)μ(Rs)ei[k1⋅Rt−k2⋅Rs]Pμ(r−Rs−τs)+RsRt∑μ∈T∑Cs(Rs),t(Rt)μ(Rt)ei[k1⋅Rt−k2⋅Rs]Pμ(r−Rt−τt)=RsRt∑μ∈S∑Cs(0),t(Rt−Rs)μ(0)ei[k1⋅Rt−k2⋅Rs]Nk1k′∑Pμk′(r)e−ik′⋅Rs+RsRt∑μ∈T∑Ct(0),s(Rs−Rt)μ(0)ei[k1⋅Rt−k2⋅Rs]Nk1k′∑Pμk′(r)e−ik′⋅Rt=RsRt∑μ∈S∑Cs(0),t(Rt−Rs)μ(0)eik1⋅(Rt−Rs)Nk1k′∑Pμk′(r)ei(k1−k2−k′)⋅Rs+RsRt∑μ∈T∑Ct(0),s(Rs−Rt)μ(0)eik2(Rt−Rs)Nk1k′∑Pμk′(r)ei(k1−k2−k′)⋅Rt=μ∈S∑Rt′∑Cs(0),t(Rt′)μ(0)eik1⋅Rt′Nk1Rsk′∑Pμk′(r)ei(k1−k2−k′)⋅Rs+μ∈T∑Rs′∑Ct(0),s(Rs′)μ(0)e−ik2⋅Rs′Nk1Rtk′∑Pμk′(r)ei(k1−k2−k′)⋅Rt=μ∈S∑Cs,tμ(k1)+μ∈T∑Ct,sμ(−k2)Pμk1−k2(r)(1)
其中定义了C的傅里叶变换
Cstμ(k)≡R∑Cs(0),t(R)μ(0)eik⋅R
这里R的范围可以超过一个BvK超胞,镜像超胞对应的Bloch相位相同,幅值叠加。
2.3 c(abij标记分子轨道)
关于c系数,分子轨道有Bloch表象和Wannier表象
ψak(r)=s∑ϕsk(r)csak=s∑csakR′∑ϕs(r−R′−τs)eikR′≡R∑ψaR(r)eikR
ψaR(r)≡Nk1k∑ψak(r)e−ikR=Nk1k∑s∑csake−ikRR′∑ϕs(r−R′−τs)eikR′=s∑Rs∑Nk1k∑csake−ik(R−Rs)ϕs(r−Rs−τs)=sRs∑csa(R−Rs)ϕs(r−Rs−τs)【c和ϕ的R′′指标卷积求和】=sR′′∑csa(R′′)ϕs(r−R+R′′−τs)
其中定义了
csak≡R∑csaReikR,csaR=Nk1k∑csake−ikR
上面的k指标的分子轨道具有布洛赫波函数的形式,下面的R指标分子轨道具有Wannier波函数的形式,其以R所处的原胞为中心。
Bloch波矢和能量对易,它是一个好量子数,所以分子轨道中只有相同k指标的原子Bloch基做线性组合。Wannier轨道则不具有这一点,所以分子轨道中包含对不同R指标的Wannier基做线性组合。
2.4 HF Hstexx
原子基下exx的哈密顿量
Hstexx(R)====Nk1ik2∑∬drdr′∣r−r′∣ϕs∗(r)ψik2(r)ψik2∗(r′)ϕt(r′−R)Nk1ik2uv∑RuRv∑∬drdr′∣r−r′∣ϕs(r)ϕu(r−Ru)eik2Ruϕv(r′−Rv)e−ik2Rvϕt(r′−R)cuik2cvik2∗uvRuRv∑∬drdr′[μ∈S∑Cs(0)u(Ru)μ(0)Pμ(r−τs)+μ∈U∑Cu(0)s(−Ru)μ(0)Pμ(r−Ru−τu)]∣r−r′∣1[ν∈V∑Cν(0)t(R−Rν)ν(0)Pν(r′−Rv−τν)+ν∈T∑Ct(0)v(Rν−R)ν(0)Pν(r′−R−τt)]Nk1ik2∑cuik2cvik2∗e−ik2(Rv−Ru)uvRuRv∑μ∈S,ν∈V∑Cs(0)u(Ru)μ(0)Vμν(Rv)Cv(0)t(R−Rv)ν(0)+μ∈S,ν∈T∑Cs(0)u(Ru)μ(0)Vμν(R)Ct(0)v(Rv−R)ν(0)+μ∈U,ν∈V∑Cu(0)s(−Ru)μ(0)Vμν(Rv−Ru)Cv(0)t(R−Rv)ν(0)+μ∈U,ν∈T∑Cu(0)s(−Ru)μ(0)Vμν(R−Rv)Ct(0)v(Rv−R)ν(0)]Duv(Rv−Ru)
Ru和Rv原则上是可以超出BvK的,不过由于最终H(R)要变换到k空间,镜像原胞的Ru和Rv对H(k)的贡献是等价的,所以总可以先将C和V折叠到BvK中,再做张量缩并。另外,C和V在R空间下具有稀疏性,可加速计算。
k空间的Hexx只需要对Hexx(R)做正FT
⟨ϕsk1∣Hexx∣ϕtk1⟩Rt↔Rs+R=Nk21ik2∑∬drdr′∣r−r′∣ϕsk1∗(r)ψik2(r)ψik2∗(r′)ϕtk1(r′)=Nk21ik2∑RsRt∑∬drdr′∣r−r′∣ϕs∗(r−Rs)ψik2(r)ψik2∗(r′)ϕt(r′−Rt)eik1(Rt−Rs)=R∑Hst(R)eik1R
2.5 RPA:响应函数:χμν(R) 和χμν(k)
本节参考:Shi R, Lin P, Zhang M Y, et aL. PRB, 2024, 109(3):035103 一般的做法是将响应函数在k空间辅助基展开
χ0(r,r′,iω)==kq∑i,j=i∑(fik−fjk+q)εik−εj,k+q−iωψik∗(r)ψjk+q(r)ψjk+q∗(r′)ψik(r′)μνq∑Nq1Pμq(r)χμν0(q,iω)Pνq∗(r′)
代入式(1)可得q空间的响应函数
χμν0(q,iω)=ijk∑εik−εj,k+q−iω(fik−fjk+q){st∑csik∗ctjk+q[Cstμ(k+q)+Ctsμ(−k)]uv∑[Cuvν(k)+Cvuν(−k−q)]cujk+q∗cvik}
另一方面
χ0(r,r′,iω)==μνRμ,Rν∑Pμ(r−Rμ−τμ)Pν(r′−Rν−τν)q∑Nq1χμν0(q,iω)exp[−iq(Rν−Rμ)]μνRμ,Rν∑Pμ(r−Rμ−τμ)Pν(r′−Rν−τν)χμν0(Rν−Rμ,iω)
它与格林函数的关系是(这里同时换到时域上)
χ0(r,r′,iτ)===−iσ∑Gσ0(r,r′,iτ)Gσ0(r′,r,−iτ)−iσstRsRtuvRuRv∑ϕs(r−Rs−τs)ϕu(r−Ru−τu)Gσ,st0(Rt−Rs,iτ)Gσ,vu0(Ru−Rv,−iτ)ϕt(r′−Rt−τt)ϕv(r′−Rv−τv)−iσstRsRtuvRuRv∑μν∑[Csuμ(Ru−Rs)Pμ(r−Rs−τs)+Cusμ(Rs−Ru)Pμ(r−Ru−τu)]Gσ,st0(Rt−Rs,iτ)Gσ,vu0(Ru−Rv,−iτ)[Ctvν(Rv−Rt)Pν(r′−Rt−τt)+Cvtν(Rt−Rv)Pν(r′−Rv−τv)]
由此可得R空间的响应函数
χμν0(Rν−Rμ,iτ)=−iσstuvR1R2∑+++Csuμ(R1−Rμ)Gσ,st0(Rν−Rμ,iτ)Gσ,vu0(R1−R2,−iτ)Ctvν(R2−Rν)Csuμ(R1−Rμ)Gσ,st0(R2−Rμ,iτ)Gσ,vu0(R1−Rν,−iτ)Cvtν(R2−Rν)Cusμ(R1−Rμ)Gσ,st0(Rν−R1,iτ)Gσ,vu0(Rμ−R2,−iτ)Ctvν(R2−Rν)Cusμ(R1−Rμ)Gσ,st0(R2−R1,iτ)Gσ,vu0(Rμ−Rν,−iτ)Cvtν(R2−Rν)
利用平移对称性,并交换一些哑指标,得到
χμν0(R,iτ)=−iσsuR1∑Csuμ(R1)[(v↔t) +(s↔u) +(v↔t)(s↔u) +t∑Gσ,st0(R,iτ)t∑Gσ,tu0(R1−R,−iτ)t∑Gσ,tu0∗(R1−R,−iτ)t∑Gσ,st0∗(R,iτ)vR2∑Ctvν(R2−R)Gσ,vu0(R1−R2,−iτ)vR2∑Ctvν(R2−R)Gσ,sv0(R2,iτ)vR2∑Ctvν(R2−R)Gσ,sv0∗(R2,iτ)vR2∑Ctvν(R2−R)Gσ,vu0∗(R1−R2,−iτ)]
注意到χ(R)最终要变换到χ(k)来求RPA关联能,而镜像原胞的χ(R)在FT时贡献到相同的相位,所以尽管C不具有周期性,但它可以事先折叠到BvK中。G(R)是从k空间反FT得到的,自身具有周期性
Gσ0(r,r′,iω)=ik∑Nk1iω+μ−ϵik+iηsign(ϵiσk−μ)ψiσk(r)ψiσk∗(r′)=stRsRt∑ϕs(r−Rs−τs)Gσ,st0(Rt−Rs)ϕt(r′−Rt−τt)
Gσ,st0(R,iω)=ik∑Nk1iω+μ−ϵik+iηsign(ϵiσk−μ)csiσkctiσk∗e−ikR
Gσ,st0(R,iτ)=iik∑Nk1csiσkctiσk∗e−ikRe−(ctσk−μ)τ[θ(τ)(1−fikσ)−θ(−τ)fikσ]
2.6 BSE
V矩阵(exchange term,电子和空穴交换坐标) 第aik1行第bjk2列是
(a∗k1,ik1∣V∣j∗k2,bk2)==代入式(1)==Nk21∬drdr′ψak1∗(r)ψik1(r)V(r,r′)ψjk2∗(r′)ψbk2(r′)Nk21∬drdr′stuv∑cuak1∗csik1ctjk2∗cvbk2RsRtRuRv∑exp[ik1(Rs−Ru)−ik2(Rt−Rv)]ϕs(r−Rs−τs)ϕu(r−Ru−τu)V(r,r′)ϕt(r′−Rt−τt)ϕv(r′−Rv−τv)Nk21∬drdr′stuv∑cuak1∗csik1ctjk2∗cvbk2[μ∈S∑Cs,uμ(−k1)Pμ(q=0)(r)+μ∈U∑Cu,sμ(k1)Pμ(q=0)(r)]V(r,r′)μ∈T∑Ct,vμ(k2)Pμ(q=0)(r′)+μ∈V∑Cv,tμ(−k2)Pμ(q=0)(r′)Nk1μν∑stuv∑cuak1∗csik1S∈μ∑Cs,uμ(−k1)+U∈μ∑Cu,sμ(k1)Vμν(0)[T∈ν∑Ct,vμ(k2)+V∈ν∑Cv,tμ(−k2)]ctjk2∗cvbk2
互换行列指标后,i↔j,a↔b,k1↔k2 ,对第二个式子做这样的替换可以快速得到
(b∗k2,jk1∣V∣ik1,ak1)=[(a∗k1,ik1∣V∣j∗k2,bk2)]∗
W矩阵(direct term,电子同坐标,空穴同坐标) 第aik1行第bjk2列是
(j∗k2,ik1∣W∣a∗k1,bk2)==代入式(1)==Nk21∬drdr′ψjk2∗(r)ψik1(r)W(r,r′)ψak1∗(r′)ψbk2(r′)Nk21∬drdr′stuv∑ctjk2∗csik1cuak1∗cvbk2R,R,Rv∑exp[ik1(Rs−Ru)−ik2(Rt−Rv)]ϕs(r−Rs−τs)ϕt(r−Rt−τt)W(r,r′)ϕu(r′−Ru−τu)ϕv(r′−Rv−τv)Nk21∬drdr′stuv∑ctjk2∗csik1cuak1∗cvbk2μ∈S∑Cs,tμ(−k2)Pμ(k1−k2)(r)+μ∈T∑Ct,sμ(k1)Pμ(k1−k2)(r)W(r,r′)μ∈U∑Cu,vμ(k2)Pμ(k2−k1)(r)+μ∈V∑Cv,uμ(−k1)Pμ(k2−k1)(r)Nk1μν∑stuv∑ctjk2∗csik1S∈μ∑Cs,tμ(−k2)+T∈μ∑Ct,sμ(k1)Wμν(k2−k1)[U∈ν∑Cu,vμ(k2)+V∈ν∑Cv,uμ(−k1)]cuak1∗cvbk2
互换行列指标后,i↔j,a↔b,k1↔k2 ,对第二个式子做这样的替换可以快速得到
(i∗k1,jk2∣W∣b∗k2,ak1)=[(j∗k2,ik1∣W∣a∗k1,bk2)]∗
这时V,W,c和C都在k空间上,不具有稀疏性。但如果换到R空间,会多出三层卷积循环。程序实测也证实在k空间运算更快。
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