RACHUNEK ZABURZEŃ. Monika Musiał

Podobne dokumenty
Metody obliczeniowe chemii kwantowej

Metoda oddzia lywania konfiguracji (CI)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Metody obliczeniowe chemii teoretycznej

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii

Uwzględnienie energii korelacji w metodach ab initio - przykłady

Obliczenia iteracyjne

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

(U.14) Oddziaływanie z polem elektromagnetycznym

Monika Musia l. METODA MIESZANIA KONFIGURACJI Configuration Interaction (CI) (ujȩcie wyznacznikowe)

Wstęp do Modelu Standardowego

METODY POSTHARTREE-FOCKOWSKIE MONIKA MUSIA L

Metody iteracyjne rozwiązywania układów równań liniowych (5.3) Normy wektorów i macierzy (5.3.1) Niech. x i. i =1

21 Symetrie Grupy symetrii Grupa translacji

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

STATYKA Z UWZGLĘDNIENIEM DUŻYCH SIŁ OSIOWYCH

Rozdział 22 METODA FUNKCJONAŁÓW GĘSTOŚCI Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

Iteracyjne rozwiązywanie równań

Całka nieoznaczona, podstawowe wiadomości

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

Wykład Budowa atomu 3

5 Reprezentacje połozeniowa i pedowa

Rozwój i zastosowanie wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów w opisie stanów podstawowych i wzbudzonych układów atomowych i molekularnych

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Matematyka dyskretna dla informatyków

2. LICZBY RZECZYWISTE Własności liczb całkowitych Liczby rzeczywiste Procenty... 24

Metody rozwiązania równania Schrödingera

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne/stacjonarne Model Przepływów Międzygałęziowych

Metody obliczeniowe chemii kwantowej oparte na funkcji falowej. Dla uk ladu N elektronów i K j ader atomowych hamiltonian przyjmuje postać:

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Teoria funkcjonału gęstości

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

TEORIA FUNKCJONA LÓW. (Density Functional Theory - DFT) Monika Musia l

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

Znaleźć wzór ogólny i zbadać istnienie granicy ciągu określonego rekurencyjnie:

1 Układy równań liniowych

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

METODA SPRZȨŻONYCH KLASTERÓW METODA MIESZANIA KONFIGURACJI. Monika Musia l

13.1 Układy helopodobne (trójcząstkowe układy dwuelektronowe)

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

WYKŁAD NR 3 OPIS DRGAŃ NORMALNYCH UJĘCIE KLASYCZNE I KWANTOWE.

Rozwiązywanie układów równań liniowych

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Równania różniczkowe wyższych rzędów

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Logika Stosowana. Wykład 7 - Zbiory i logiki rozmyte Część 3 Prawdziwościowa logika rozmyta. Marcin Szczuka. Instytut Informatyki UW

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

Postulaty mechaniki kwantowej

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Obliczanie długości łuku krzywych. Autorzy: Witold Majdak

II. POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ W JĘZYKU WEKTORÓW STANU. Janusz Adamowski

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Układy równań i równania wyższych rzędów

Matematyka Dyskretna 2/2008 rozwiązania. x 2 = 5x 6 (1) s 1 = Aα 1 + Bβ 1. A + B = c 2 A + 3 B = d

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Wstęp do Modelu Standardowego

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn a 1j a 2j R i = , C j =

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

Sumy kwadratów kolejnych liczb naturalnych

Równanie Schrödingera

Równania różnicowe. Dodatkowo umawiamy się, że powyższy iloczyn po pustym zbiorze indeksów, czyli na przykład 0

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

13 Układy równań liniowych

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Wykład 12 i 13 Macierz w postaci kanonicznej Jordana , 0 A 2

(U.13) Atom wodoropodobny

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Rozważmy nieustalony, adiabatyczny, jednowymiarowy ruch gazu nielepkiego i nieprzewodzącego ciepła. Mamy następujące równania rządzące tym ruchem:

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

Metody numeryczne Wykład 4

MACIERZE I WYZNACZNIKI

RACHUNEK MACIERZOWY. METODY OBLICZENIOWE Budownictwo, studia I stopnia, semestr 6. Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska

Wielomiany podstawowe wiadomości

Materiał ćwiczeniowy z matematyki Poziom podstawowy Styczeń Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych oraz schemat oceniania

Zajęcia nr. 3 notatki

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Przykładowe zadania z teorii liczb

że w wyniku pomiaru zmiennej dynamicznej A, której odpowiada operator αˆ otrzymana zostanie wartość 2.41?

Kubatury Gaussa (całka podwójna po trójkącie)

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Transkrypt:

RACHUNEK ZABURZEŃ Monika Musiał

Rachunek zaburzeń jest podstawową obok metody wariacyjnej techniką obliczeniową stosowaną do rozwiązywania równania Schrödingera. Idea metody zaburzeniowej sprowadza się do podzielenia pełnego hamiltonianuhnadwieczęściłatwiejsząh 0 itrudniejsząv,zgodniezponiższym równaniem: H=H 0 +V (1) W związku z tym rozważamy dwa równania Schrödingera: jedno, łatwiejsze, dlaoperatorah 0 : H 0 Φ r =E 0 rφ r (2) nazywane zwykle równaniem niezaburzonym lub równaniem zerowego rzędu, którego rozwiązania, tzn. wartości własne i funkcje własne, są nam znane. Drugie, trudniejsze, jest rówaniem Schrödingera dla operatora H: HΨ k =E k Ψ k (3) Jako że stosowane przez nas operatory są hermitowskie więc odpowiadające im funkcje własne winny być ortonormalne(stosujemy notację bra i ket Diraca), tzn. Φ r Φ s =δ rs (4)

W odniesieniu do funkcji dokładnych wprowadzimy niewielkie odstępstwo od tej zasady, stosowane powszechnie przy wyprowadzaniu formuł rachunku zaburzeń, mianowicie wprowadzimy założenie o normalizacji pośredniej. Oznaczato,żezachowującortogonalnośćfunkcjiwłasnychΨ k : unormowaniefunkcjiψ k zapiszemyjako: Ψ k Ψ l =0dlak l (5) Ψ k Φ k =1 (6) czylidokładnafunkcjafalowa,ψ k,jestkombinacjąliniowąniezaburzonejfunkcjiφ k orazpozostałychfunkcjioperatorah 0.FunkcjaΦ k jestprzybliżeniem zerowegorzędudofunkcjiψ k (Ψ (0) k =Φ k ),więcwfunkcjidokładnejwektor Φ k wystąpizewspółczynnikiem1,adodawanepoprawkispowodują,żenormafunkcjiψ k będziewiększaodjedności.założenietouprościwyprowadzenie wzorów na poprawki perturbacyjne, ale nie wprowadzi żadnych realnych komplikacjidoobliczeń,jakożefunkcjęψ k możnawdowolnymmomencie zrenormalizować.

Wprowadzając do równania(3) podział hamiltonianu(1), mnożąc lewostronnieprzezφ kicałkując,otrzymujemy: E k Φ k Ψ k = Φ k H 0 Ψ k + Φ k V Ψ k (7) Korzystając z warunku normalizacji pośredniej oraz z hermitowskości operatorah 0 otrzymujemywyrażenienaenergiędokładnąwrachunkuzaburzeń E k =E 0 k+ Φ k V Ψ k (8) Specyfika rachunku zaburzeń polega na wyznaczaniu poprawek pierwszego, drugiego, n-tego rzędu do wartości i funkcji własnych z równania(3). Ogólne równanie na poprawkę n-tego rzędu do energii wynika natychmiast z powyższej zależności E (n) k = Φ k V Ψ (n 1) k (9) uzależniając wkład do energii w n-tym rzędzie od poprawki do funkcji falowej w rzędzie n-1. Powyższe równanie ma charakter uniwersalny i stosuje się do obu podstawowych realizacji rachunku zaburzeń: metody Brillouina-Wignera (BWPT Brillouin-Wigner Perturbation Theory) oraz metody Rayleigha- Schrödingera(RSPT Rayleigh-Schrödinger Perturbation Theory).

Niezależne od wariantu rachunku zaburzeń jest też wyrażenie na poprawkę do energii w rzędzie pierwszym: E (1) k = Φ k V Φ k (10) Konieczność stosowania rachunku zaburzeń wynika z faktu, że pełne równanie (tj.3czylihψ k =E k Ψ k )niemożebyćrozwiązanemetodamistandardowymi (np.takimijakiestosujemydorównania(2),czylih o Φ r =E o rφ r )lubmetody te są dla równania(3) czyli dla hamiltonianu H zbyt kosztowne. Zakładamy, że rachunek perturbacyjny jest zbieżny i uwzględnienie w rozwinięciu poprawek wyższego rzędu poprawia jakość rozwiązań. Zdarzają się odchylenia od tej zasady, dotyczące rzędów nieparzystych, tzn. może wystąpić taka sytuacja, że np. poprawka trzeciego rzędu do energii daje gorszy wynik niż poprawka drugiego rzędu. Dlatego też, zwłaszcza w odniesieniu do poprawek korelacyjnych, preferuje się przybliżenia uwzględniające rzędy parzyste(2-gi, 4-ty, ewentualnie 6-ty). Jest rzeczą oczywistą, że poprawka wyższego rzędu wymaga znacznie większego wysiłku obliczeniowego co sprawia, że dla większych układów i większych baz funkcyjnych preferowane są niższe rzędy rachunku zaburzeń.

Ogólnie biorąc wyróżniamy dwie podstawowe realizacje rachunku zaburzeń: metodę Brillouina-Wignera(BWPT Brillouin-Wigner Perturbation Theory) oraz metodę Rayleigha-Schrödingera(RSPT Rayleigh-Schrödinger Perturbation Theory). We współczesnych zastosowaniach zdecydowanie dominuje metoda RSPT, zwłaszcza w ujęciu wielociałowym, określanym akronimem MBPT(Many Body Perturbation Theory).

Rachunek zaburzeń Brillouina-Wignera

Punktem wyjścia dla przedstawienia sformułowania BWPT jest równanie Schrödingerawujęciudokładnymiprzybliżonym,równania(2)czyliH o Φ r = E o rφ r i(3)czylihψ k =E k Ψ k. WtymujęciuwygodniejestwprowadzićtakżedwaoperatoryrzutoweP k iq k zdefiniowanejako: oraz P k = Φ k Φ k (11) Q k = i =k Φ i Φ i (12) OperatorP k związanyjestzfunkcjąreferencyjnąφ k natomiastoperatorq k z pozostałą częścią przestrzeni konfiguracyjnej. Oczywiście suma operatorów P k iq k jestoperatoremtożsamościowym: P k +Q k =1 (13) WprowadzającdorównaniaHΨ k =E k Ψ k podziałhamiltonianuh=h o + V po elementarnym przekształceniu otrzymujemy (E k H 0 )Ψ k =VΨ k (14)

Wprowadzimy teraz formalny operator rezolwenty R(operator rozwiązujący) zdefiniowany jako Q k R k = (15) E k H 0 którym podziałamy na obie strony równania(14) otrzymując Q k Ψ k =R k VΨ k (16) apamiętając,żeq k =1 P k ip k Ψ k =Φ k otrzymamy Ψ k =Φ k +R k VΨ k (17) Jest to wygodna i prosta formuła rachunku Brillouina-Wignera pozwalająca uzyskać natychmiast funkcje falową w dowolnym rzędzie. Mianowicie, zaniedbując drugi składnik po prawej stronie ostatniego równania otrzymujemy wyrażenienaψ k wzerowymrzędzie,apodstawiającwmiejsceψ k poprawej stronieostatniegorówaniafunkcjęzerowegorzęduotrzymamyψ k wpierwszym rzędzie: Ψ (1) k =R k VΦ k = Q k E k H o VΦ k = i=0,i k Φ i Φ i E k H o VΦ k = i=0,i k Φ i V Φ k E k H o Φ i (18)

Ta ostatnia funkcja wprowadzona do równania(17) umożliwia otrzymanie Ψ (2) k: Ψ (2) k =R k VR k VΦ k (19) i w ten sposób rekurencyjnie możemy otrzymać poprawkę dowolnego rzędu do funkcji falowej Ψ (n) k =(R k V) n Φ k (20) apodstawiającfunkcjęfalową(n-1)rzędudorównania(8),tj.e k =E o + Φ k V Ψ k,takżedoenergiiwn-tymrzędzie: lub, uwzględniając definicję rezolwenty(15): E (n) E (n) k = Φ k V(R k V) (n 1) Φ k (21) Q k k = Φ k V( V) (n 1) Φ k (22) E k H 0 (23)

E (2) k = Φ k V Dla spointowania powyższego wyprowadzenia zapiszmy w postaci jawnej wyrażenianapoprawkidoenergiiwrzędzie1i2: Q k E k H 0 V Φ k = i =k E (1) k = Φ k V Φ k (24) Φ k V Φ i Φ i V Φ k = E k H o i =k Φ k V Φ i Φ i V Φ k E k H o (25) Zauważmy, że w powyższych poprawkach występuje po prawej stronie symbol E k,określającydokładnąenergię,awięcwielkośćnieznaną,którejkomponenty są właśnie poszukiwane. Wielkość tę zapiszemy jako: E k E [n] k = n i=0 E(i) k (26) gdzie indeks górny w nawiasie kwadratowym wskazuje sumę poprawek do rzędu n włącznie. Wynika stąd konieczność wyznaczania poprawek BW metodą iteracyjną, polegającą na tym, że w iteracji pierwszej wstawiamy w miejsce E k wyrażeniezerowegorzędue 0 k,awkolejnychiteracjachwartośće k wyznaczoną zgodnie z równaniem(26) w iteracji poprzedniej. Proces iteracyjny kontynuujemyażdosamouzgodnieniawartoście k.

Rachunek zaburzeń Rayleigha-Schrödingera

Pierwszy rząd Dla przypomnienia wyrażenia w ujęciu BWPT: E (1) k = Φ k V Φ k Ψ (1) k = i=0,i k Φ i V Φ k E k H o Φ i PrzejścieodformułBWdopoprawekRSsprowadzasiędo zastąpieniadokładnejwartościenergiiwmianownikue k przez jejodpowiednikwzerowymrzędzie,e 0 k. Wyrażenia w RSPT: E (1) k = Φ k V Φ k (27) Ψ (1) k = i=0,i k Φ i V Φ k E (0) k E (0) Φ i (28) i

Drugi rząd Dla przypomnienia wyrażenie w ujęciu BWPT: E (2) k = Φ k V Ψ (1) k E (2) k = Φ k V Q k E k H 0 V Φ k = i =k Φ k V Φ i Φ i V Φ k = E k H o i =k Φ k V Φ i Φ i V Φ k E k H o a w RSPT mamy następującą postać: E (2) k = Φ k V Ψ (1) k (29) E (2) k = i =k Φ k V Φ i Φ i V Φ k E (0) k E (0) i (30)

Zauważmy, że poprawki perturbacyjne w metodzie Rayleigha-Schrödingera zawierają wyłącznie wartości własne dla równania zerowego rzędu, a więc wielkości znane. Zatem wyrażenie tak na poprawki do funkcji falowej jak i na poprawki do energii stanowią gotowy wzór na ich obliczenie, niewymagający procedury iteracyjnej, co ma miejsce w przypadku metody Brillouina-Wignera.

Rachunek zaburzeń Möllera-Plesseta

Rachunek zaburzeń Möllera Plesseta jest jednym z wariantów rachunku zaburzeń Rayleigha-Schrödingera. Istotą tego podejściajestprzyjęciezaoperatorzerowegorzęduh 0 jestrównysumieoperatorów Focka. Dla przypomnienia operator Focka h(i) jest operatorem jednoelektronowym zapisywanym zwykle w postaci sumy dwóch składników: h(i)=h o (i)+f(i) (31) z których pierwszy reprezentuje energię kinetyczną i energię oddziaływania z jądrami atomowymi: h o (i)= 1 2 2 i+ α natomiast składnik f(i) jest dany wyrażeniem: Z α r iα (32) f(i)= N q=1 (J q(i) K q (i)) (33)

Równania Hartree-Focka możemy zapisać jako OperatorH 0 przyjmujewięcpostać: h(i)ψ r (i)=e r ψ r (i) (34) H 0 = N h(i) (35) i natomiast operator zaburzenia w rachunku MP stanowi różnicę między hamiltonianem pełnym H, który, przypomnijmy, przyjmuje postać H= N 1 h 0 (i)+ (36) i i>jr ij aoperatoremh 0.WobecpowyższegooperatorV jestrówny V=H H 0 (37) V= N 1 h 0 (i)+ N h 0 (i) N f(i) i i>jr ij i i (38) 1 V= N f(i)=v 2 V 1 i>jr ij i (39)

Poprawka pierwszego rzędu w rachunku MP E (1) k = Φ k V Φ k (40) = Φ k V 2 Φ k Φ k V 1 Φ k (41) Poprawka drugiego rzędu w rachunku MP E (2) k = i k Φ k (V 2 V 1 ) Φ i Φ i E 0 k E 0 (V 2 V 1 ) Φ k (42) i

Poprawki korelacyjne(mh) dla różnych wariantów metody CI, MBPT iccwstosunkudowartościfcidlamolekułhfih 2 O (baza DZP; zamrożone orbitale rdzenia). HF H 2 O Metoda R e 1.5R e 2.0R e R e 1.5R e 2.0R e CISD 9.38 14.9 27.6 12.9 30.4 75.6 CISDT 7.01 11.1 19.2 10.6 23.5 60.3 CISDTQ 0.28 0.49 0.92 0.40 1.55 6.29 CISDTQP 0.08 0.16 0.28 0.16 CISDTQPH 0.00 0.01 0.01 0.00 CISDTQPH7 0.00 0.00 0.00 0.00 MBPT(2) 7.80 10.6 24.0 13.0 23.3 53.7 MBPT(3) 5.44 11.9 27.0 7.22 26.4 74.6 MBPT(4) -0.26 0.77 4.84 0.92 5.76 14.9 MBPT(5) 0.81 2.29 8.10 0.70 4.98 17.0 MBPT(6) -0.23-0.41-1.13 0.08 1.82 4.06 CCSD 3.01 5.10 10.2 4.12 10.2 21.4 CCSDT 0.27 0.65 1.13 0.53 1.78-2.47 CCSDTQ 0.02 0.04 0.06 0.02 0.14-0.02 CCSDTQP 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.03