[论文解读] Many-body renormalisation of forces in f-materials

Evgeny Plekhanov, P. J. Hasnip+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

High-pressure geophysics and materials被引用 1

一句话总结

本文在CASTEP代码中实现了用于强关联f电子体系的DFT+DMFT方法，采用Hubbard I求解器以精确捕捉多体效应。该方法在γ-Ce和Ce₂O₃上与先前基准结果高度一致，显著降低了由DMFT级关联引起的非物理内部力，并提出了一种改进的高频格林函数尾部处理方法，以减少关联能和占据矩阵计算中的偏差。

ABSTRACT

We present the implementation of Dynamical Mean-Field Theory (DMFT) in the CASTEP ab-initio code. We explain in detail the theoretical framework for DFT+DMFT and we benchmark our implementation on two strongly-correlated systems with $f$-shell electrons: $\gamma$-cerium and cerium sesquioxide Ce$_{2}$O$_{3}$ by using a Hubbard I solver. We find very good agreement with previous benchmark DFT+DMFT calculations of the same compounds. Our implementation works equally well for both norm-conserving and ultra-soft pseudopotentials, and we apply it to the calculation of total energy, bulk modulus, equilibrium volumes and internal forces in the two cerium compounds. In Ce$_{2}$O$_{3}$ we report a dramatic reduction of the internal forces acting on coordinates not constrained by unit cell symmetries. This reduction is induced by the many-body effects, which can only be captured at the DMFT level. In addition, we derive an alternative form for treating the high-frequency tails of the Green function in Matsubara frequency summations. Our treatment allows a reduction in the bias when calculating the correlation energies and occupation matrices to high precision.

研究动机与目标

• 在CASTEP第一原理代码中实现用于强关联f电子体系的DFT+DMFT方法。
• 采用Hubbard I求解器，对γ-铈和二氧化二铈（Ce₂O₃）进行基准测试。
• 评估在使用规范守恒赝势和超软赝势时该实现的性能表现。
• 研究多体效应在降低低对称性约束体系中非物理内部力方面的作用。
• 开发并验证一种改进的马苏巴拉频率求和中高频格林函数尾部的处理方法，以提高关联能和占据矩阵计算的精度。

提出的方法

• 将动力学平均场理论（DMFT）集成到CASTEP密度泛函理论代码中。
• 采用Hubbard I求解器求解DFT+DMFT中的杂质问题。
• 使用规范守恒赝势和超软赝势，以测试不同电子结构表示下的鲁棒性。
• 应用DFT+DMFT框架计算γ-Ce和Ce₂O₃的总能、体模量、平衡体积和内部力。
• 推导一种处理马苏巴拉频率求和中高频格林函数尾部的替代公式，以减少关联能和占据矩阵计算中的偏差。
• 与已建立的γ-Ce和Ce₂O₃的DFT+DMFT结果进行基准测试，以验证精度和一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CASTEP中实现的DFT+DMFT方法在多大程度上能准确复现γ-铈和Ce₂O₃的已知结果？
• RQ2 DMFT所捕捉的多体效应在多大程度上减少了Ce₂O₃中非对称性约束坐标上的非物理内部力？
• RQ3 马苏巴拉求和中高频格林函数尾部的新处理方法是否能减少关联能和占据矩阵计算中的偏差？
• RQ4 DFT+DMFT实现使用规范守恒赝势和超软赝势时，性能表现有何差异？
• RQ5 多体关联效应对f电子体系的平衡体积和体模量有何影响？

主要发现

• CASTEP中实现的DFT+DMFT方法在γ-铈和Ce₂O₃上与先前基准计算结果高度一致。
• 由于仅在DMFT级别才能捕捉到的多体效应，Ce₂O₃中非对称性约束坐标上的内部力显著降低。
• 该实现对规范守恒赝势和超软赝势均表现稳定可靠，确保了广泛适用性。
• 针对高频格林函数尾部的新公式显著减少了关联能和占据矩阵计算中的偏差。
• 该方法成功捕捉了两种铈化合物的正确平衡体积和体模量，与已建立的DFT+DMFT结果一致。
• 结果表明，DMFT对于消除低对称性f电子体系中的非物理力至关重要，而标准DFT则无法实现这一点。