实时的含时密度泛函理论(rt-TDDFT)的算法进展及在超快动力学中的应用

文章信息

标题：Algorithmadvances and applications of time-dependent first-principles simulations forultrafast dynamics

文章链接：https://doi.org/10.1002/wcms.1577

作者：刘文浩1，王峙1，陈章辉2，骆军委1，李树深1，汪林望2

单位：1中国科学院半导体研究所；2加州劳伦斯伯克利国家实验室

背景介绍

从 20 世纪初期开始，量子理论变得尤为重要，对技术发展做出了重大贡献。尽管量子理论取得了很大成功，但由于缺乏非平衡量子系统的框架，其应用主要限于平衡系统。随着超短激光脉冲和自由电子加速器 X 射线的产生推动了整个非平衡超快动力学领域的发展。超快现象在物理、化学和生物等领域已被广泛关注，例如光致相变、光诱导退磁、高能离子碰撞和分子化学反应等。近期，非平衡超快领域的实验研究成果诸多发表于国际顶级期刊(如Nature, Science等)，该领域研究已成为当前的热点话题。然而，实验并不能给出原子尺度的原子/分子位移，对激发态动力学的理解存在诸多争议。为了理解超快动力学现象，理论模拟至关重要。传统的第一性原理(DFT)主要适用于计算材料的基态特性，为了模拟结构处于激发态的动力学特性，需使用实时的含时密度泛函理论(rt-TDDFT)，即求解含时的薛定谔方程。由于电子比原子核轻1800倍，电子的运动速度要比原子核快很多，用于求解电子波函数演化的时间步长比基态分子动力学模拟的时间步长小1000倍，使得rt-TDDFT 计算十分昂贵。如何提高时间步长，减小计算量，是当前rt-TDDFT算法的挑战之一。此外，激发态的动力学过程通常包括光子-电子、电子-电子、电子-声子、自旋-轨道等多个自由度的纠