物理学中的全量子化效应与新的探索

物理㊃40卷(2011年)5期 h t t p

:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理学中的全量子化效应与新的探索*

陈 基1 孙兆茹1 张千帆2 王恩哥1,

2,†(1 北京大学量子材料科学中心 北京大学物理学院 北京 100871

)(2 中国科学院物理研究所 北京 100190

)摘 要 在一般的第一性原理计算中,原子核总是被近似成经典粒子.然而,在一些特殊的体系中,原子核的量子效应对体系的物理性质和物理过程有着至关重要的影响.在相关问题的模拟中,考虑了原子核量子效应的全量子化计算,展示了其独有的准确性.目前,路径积分分子动力学是被广泛采用的全量子化计算方法.而第一性原理的路径积分分子动力学不仅保留了第一性原理计算中电子结构和电子基态能量计算的方法,同时还应用费恩曼(F e y n m a n )路径积分原理,得到了包含原子核量子信息的运动方程.张千帆等人应用第一性原理路径积分分子动力学,计算了B a Z r O 3中氢核的输运情况.

结果表明,原子核的量子化对输运中两个不同的子过程有不同程度的影响,它使得有氢氧键断裂的T 过程的势垒下降更多,使T 过程成为快过程,从而验证了红外光谱实验的结果,同时否定了传统计算给出的T 过程是慢过程的结论.

关键词 全量子化,路径积分分子动力学,第一性原理计算

F u l l q u a n t u me f f e c t s i n p h y

s i c s C H E N J i 1

S U N Z h a o -R u 1

Z H A N G Q i a n -F a n 2

WA N G E n -

G e 1,2,†

(1 I n t e r n a t i o n a l C e n t e r f o rQ u a n t u m M a t e r i a l s ,S c h o o l o f P h y s i c s ,P e k i n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 1

00871,C h i n a )(2 I n s t i t u t e o f P h y s i c s ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i n g 1

00190,C h i n a )A b s t r a c t I o n sa r ec o mm o n l y a p p r o x i m a t e dt oc l a s s i c a l p o i n t -

l i k e p a r t i c l e si nt r a d i t i o n a la bi n i t i o s t u d i e s .H o w e v e r ,i nc e r t a i ns y s t e m s ,t h e i r q u a n t u m e f f e c t sa r ec r u c i a l t ot h e p h y s i c a l p r o p

e r t i e sa n d p h y s i c a l p r o c e s s e s .A

f u l l q u a n t u mc a l c u l a t i o n ,w h i c h i n c l u d e s t h i s q u a n t u me f f e c t ,s h o w s u n i q u e a d v a n -

t a g e s i n s u c hs y s t e m s .P a t h I n t e g r a lM o l e c u l a rD y n a m i c s (P I M D )h a s b e c o m e t h em o s tw i d e l y u

s e d f u l l q u a n t u ms i m u l a t i o nm e t h o d .A b i n i t i oP I M Dk e e p s t h e e l e c t r o n s t r u c t u r e a n d g r o u n ds t a t e e n e r g y o

f a b i n i t i oc a l c u l a t i o n s ,w h i l e t h e i o n sm o v e a c c o r d i n

g t o a s e t o f e q u a t i o n sw

h

i c h c o n t a i n t h e n u c l e a r q u a n t u m e f f e c t .P r o t o n t r a n s f e r i nB a Z r O 3h a s b e e n s t u d i e d b y P I M D.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e n u c l e a r q

u a n t u m e f f e c t h a sd i f f e r e n t i n f l u e n c e so nt h et w od i f f e r e n ts u b p r o c e s s e s ,r e d u c i n g t h eb a r r i e ro ft h et r a n s f e r p r o c e s sm o r e s i g n i f i c a n t l y t

h a n t h e r e o r i e n t a t i o n p r o c e s s ,w h i c hm a k e s t h e t r a n s f e r p r o c e s s f a s t e r .T h i s a g r e e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n sb u td i f f e r sf r o m t h er e s u l t so fe a r l y a

bi n i t i os i m u l a t i o n s w i t h o u t t h e f u l l q u a n t u me f f e c t ,w h i c h i n d i c a t e t h a t t h e t r a n s f e r p r o c e s s i s r a t e -l i m i t i n g .K e y

w o r d s f u l l q u a n t i z a t i o n ,p a t h i n t e g r a lm o l e c u l a r d y n a m i c s ,f i r s t p r i n c i p l e s c a l c u l a t i o n *国家自然科学基金(批准号:10974238;91021007)资助项目2010-09-05收到

†

通讯联系人.E m a i l :e g w a n g

@p k u .e d u .c n 1 引言

物理学中的全量子化效应是指将体系中所有粒子(包括原子核和电子)当作量子粒子处理后而获得的物理效应.已经有许多成熟的第一性原理计算方法能很好地解决电子的量子化问题,所以全量子化

效应就主要体现在原子核的量子效应上.物理中常用到的第一性原理计算就是求解原子核和电子组成

的多粒子体系的薛定谔方程.要求解这样的方程,人

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123㊃前沿进展