[论文解读] Ab-initio study of the effects induced by the electron-phonon scattering in carbon based nanostructures

Elena Cannuccia, Andrea Marini|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2013

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions被引用 5

一句话总结

这项从头算研究揭示，在碳基纳米结构（如反式聚乙炔和聚乙烯）中，电子-声子（EP）耦合会在电子自能中诱导出复杂且非准粒子的结构，从而否定了标准的绝热和静态Heine-Allen-Cardona（HAC）近似。作者开发了一个完全动态的多体微扰理论框架，将这些特征识别为关联的电子-声子脉冲包，即使在T=0 K时也因零点运动而持续存在，从根本上改变了对纳米结构中电子态的描述。

ABSTRACT

In this paper we investigate from first principles the effect of the electron-phonon interaction in two paradigmatic nanostructures: trans-polyacetylene and polyethylene. We found that the strong electron-phonon interaction leads to the appearance of complex structures in the frequency dependent electronic self-energy. Those structures rule out any quasi-particle picture, and make the adiabatic and static approximations commonly used in the well-established Heine Allen Cardona (HAC) approach inadequate. We propose, instead, a fully ab-initio dynamical formulation of the problem within the Many Body Perturbation Theory framework. The present dynamical theory reveals that the structures appearing in the electronic self-energy are connected to the existence of packets of correlated electron/phonon states. These states appear in the spectral functions even at $T=0\,K$, revealing the key role played by the zero point motion effect. We give a physical interpretation of these states by disclosing their internal composition by mapping the Many Body problem to the solution of an eigenvalue problem.

研究动机与目标

• 使用第一性原理方法研究电子-声子（EP）耦合对碳基纳米结构电子性质的影响。
• 挑战在强EP耦合体系中广泛使用的绝热和静态Heine-Allen-Cardona（HAC）近似的有效性。
• 开发并应用一个完全动态的、从头算的多体微扰理论框架，以描述频率相关的电子自能效应。
• 识别并表征由关联电子-声子态引起的复杂谱结构的物理起源。
• 证明即使在T=0 K时，零点运动也会引发持久的非绝热效应，从而颠覆了基于温度的传统EP耦合直觉。

提出的方法

• 采用多体微扰理论计算频率相关的电子自能，避免使用静态和绝热近似。
• 将完整的动态自能导出为一个映射关联电子-声子态的本征值问题的非微扰解。
• 采用随机网格采样方法对布里渊区积分，以处理电子-声子矩阵元在q→0时的发散问题。
• 在每个q点周围采用球形区域分解（R_q）方法，以数值方式稳定对1/q²发散项的积分。
• 使用规范守恒赝势和在LDA近似下的平面波基组计算电子-声子矩阵元和声子模式。
• 利用yambo代码计算Fan自能和Debye-Waller贡献，采用蒙特卡洛积分以加速收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 在碳纳米结构中，电子-声子耦合在多大程度上否定了电子结构计算中通常假设的准粒子图像？
• RQ2 反式聚乙炔和聚乙烯的谱函数在多大程度上偏离了静态和绝热HAC方法的预测？
• RQ3 在零温下，频率相关的电子自能中观察到的复杂结构的物理起源是什么？
• RQ4 零点原子运动在无热激发条件下如何贡献于电子能级的重正化？
• RQ5 能否构建并应用一个完全动态的、从头算的电子-声子耦合形式化方法，以预测真实材料中关联的电子-声子态？

主要发现

• 电子-声子耦合在电子自能中诱导出复杂且非准粒子的结构，这些结构无法用静态和绝热HAC近似来描述。
• 这些结构与关联电子-声子脉冲包的形成有关，即使在T=0 K时，它们在谱函数中也表现为明显的特征。
• 原子的零点运动提供了非热的、量子力学的电子能级重正化贡献，在金刚石中最大可达615 meV，在聚乙炔和聚乙烯中也具有显著影响。
• 自能中两个极点（E1和E2）之间的能量分裂超过ω₀，且大于非相互作用极限下的值，表明存在强关联效应，超越了简单的电子加声子激发。
• 动力学理论表明，电子和声子自由度并非独立占据，而是形成具有非平凡内部组成的纠缠多体态。
• 通过将布里渊区划分为球形区域R_q并采用蒙特卡洛积分处理q=0附近矩阵元的1/q²发散，实现了自能的数值稳定化。