计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (6): 651-665.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8505
收稿日期:
2022-01-11
出版日期:
2022-11-25
发布日期:
2023-04-01
通讯作者:
胡光辉
作者简介:
詹泓飞(1995-), 研究生, 研究方向为电子结构计算
Hongfei ZHAN1, Zhenning CAI2, Guanghui HU1,3,4,*()
Received:
2022-01-11
Online:
2022-11-25
Published:
2023-04-01
Contact:
Guanghui HU
摘要:
基于虚时间演化法, 实现基态Wigner函数的数值计算。考虑到Wigner函数是一个高维相空间函数, 通过引入合适的谱方法以降低问题的维度, 并处理所得控制方程中的全局算子。首先, 从Schrödinger波函数的虚时间演化方程出发, 推导得到适用于Wigner函数的控制方程。然后, 根据方程中卷积项的不同表达, 基于简化Grad矩方法和傅里叶伪谱方法, 分别设计两类p空间上的离散方法, 并阐述其中的求解细节。此外, 基于所提出的数值框架, 探讨基于密度泛函理论的基态计算。其中, 针对简化Grad矩方法下的密度泛函计算, 提出一类密度高阶导数的重构方式。最后, 数值算例展示所提方法的有效性, 以及方法在多体问题中的应用前景。
詹泓飞, 蔡振宁, 胡光辉. 基于虚时间演化与谱方法的一类基态Wigner函数计算方法[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 651-665.
Hongfei ZHAN, Zhenning CAI, Guanghui HU. Wigner Ground State Calculation Based on Imaginary Time Propagation Method and Spectral Method[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(6): 651-665.
图1 M=18时,二维谐振子下简化Grad矩方法的误差$ e_{\mathrm{G}}=\max _{|\alpha| \leqslant M}\left\|f_\alpha-f_\alpha^{\text {exc }}\right\|_{\infty}$
Fig.1 Errors $ e_{\mathrm{G}}=\max _{|\alpha| \leqslant M}\left\|f_\alpha-f_\alpha^{\text {exc }}\right\|_{\infty}$ for 2-D harmonic oscillator at M=18
图2 二维谐振子下简化Grad矩方法的误差(a) 整体误差$e_{\mathrm{G}}=\max _{|\alpha| \leqslant M}\left\|f_\alpha-f_\alpha^{\text {exc }}\right\|_\infty $; (b) 密度误差$ e_\rho=\left\|\rho-\rho^{\mathrm{exc}}\right\|_{\infty}$
Fig.2 Errors with simplified Grad moment method for 2-D harmonic oscillator (a) total errors $e_{\mathrm{G}}=\max _{|\alpha| \leqslant M}\left\|f_\alpha-f_\alpha^{\text {exc }}\right\|_\infty $; (b) density errors $ e_\rho=\left\|\rho-\rho^{\mathrm{exc}}\right\|_{\infty}$
图3 二维谐振子下傅里叶伪谱方法的误差(a) 整体误差$ e_{\mathrm{F}}=\max _{\alpha \in I_N}\left\|a_\alpha-a_\alpha^{\text {exc }}\right\|_{\infty}$; (b) 密度误差$e_\rho=\left\|\rho-\rho^\text {exc }\right\|_{\infty} $
Fig.3 Errors with Fourier pseudo-spectral method for 2-D harmonic oscillator (a) total errors $ e_{\mathrm{F}}=\max _{\alpha \in I_N}\left\|a_\alpha-a_\alpha^{\text {exc }}\right\|_{\infty}$; (b) density errors $e_\rho=\left\|\rho-\rho^\text {exc }\right\|_{\infty} $
h | Wigner: 简化Grad矩方法 | Schrödinger | ||||||||
M = 0 | M = 2 | M = 4 | ||||||||
error | energy | error | energy | error | energy | energy | ||||
2.00 × 10-1 | 2.106 8 × 10-3 | 1.317 18 | 1.971 0 × 10-3 | 1.317 27 | 2.287 9 × 10-3 | 1.315 68 | 1.314 76 | |||
1.00 × 10-1 | 5.821 7 × 10-4 | 1.313 98 | 5.147 9 × 10-4 | 1.314 03 | 6.033 8 × 10-4 | 1.313 60 | 1.313 47 | |||
5.00 × 10-2 | 1.706 3 × 10-4 | 1.313 23 | 1.368 0 × 10-4 | 1.313 26 | 1.597 9 × 10-4 | 1.313 15 | 1.313 15 | |||
2.50 × 10-2 | 5.380 8 × 10-5 | 1.313 06 | 3.682 7 × 10-5 | 1.313 08 | 4.265 6 × 10-5 | 1.313 05 | 1.313 07 | |||
1.25 × 10-2 | 1.772 3 × 10-5 | 1.313 04 | 9.211 2 × 10-6 | 1.313 04 | 1.067 7 × 10-5 | 1.313 04 | 1.313 05 | |||
6.25 × 10-3 | 5.268 8 × 10-6 | 1.313 03 | 3.002 1 × 10-6 | 1.313 04 | 3.446 0 × 10-6 | 1.313 04 | 1.313 04 |
表1 简化Grad矩方法下, Contact-interacting Hooke atom密度的数值误差‖ρwGrad - ρsfinest‖∞与能量
Table 1 Density errors ‖ρwGrad - ρsfinest‖∞ and energies of contact-interacting Hooke atom with simplified Grad moment method
h | Wigner: 简化Grad矩方法 | Schrödinger | ||||||||
M = 0 | M = 2 | M = 4 | ||||||||
error | energy | error | energy | error | energy | energy | ||||
2.00 × 10-1 | 2.106 8 × 10-3 | 1.317 18 | 1.971 0 × 10-3 | 1.317 27 | 2.287 9 × 10-3 | 1.315 68 | 1.314 76 | |||
1.00 × 10-1 | 5.821 7 × 10-4 | 1.313 98 | 5.147 9 × 10-4 | 1.314 03 | 6.033 8 × 10-4 | 1.313 60 | 1.313 47 | |||
5.00 × 10-2 | 1.706 3 × 10-4 | 1.313 23 | 1.368 0 × 10-4 | 1.313 26 | 1.597 9 × 10-4 | 1.313 15 | 1.313 15 | |||
2.50 × 10-2 | 5.380 8 × 10-5 | 1.313 06 | 3.682 7 × 10-5 | 1.313 08 | 4.265 6 × 10-5 | 1.313 05 | 1.313 07 | |||
1.25 × 10-2 | 1.772 3 × 10-5 | 1.313 04 | 9.211 2 × 10-6 | 1.313 04 | 1.067 7 × 10-5 | 1.313 04 | 1.313 05 | |||
6.25 × 10-3 | 5.268 8 × 10-6 | 1.313 03 | 3.002 1 × 10-6 | 1.313 04 | 3.446 0 × 10-6 | 1.313 04 | 1.313 04 |
h | Wigner: 傅里叶伪谱方法 | Schrödinger | ||||||||
N = 16 | N = 32 | N = 64 | ||||||||
error | energy | error | energy | error | energy | energy | ||||
2.00 × 10-1 | 4.518 0 × 10-4 | 1.212 67 | 2.218 5 × 10-3 | 1.317 50 | 2.218 9 × 10-3 | 1.317 52 | 1.314 76 | |||
1.00 × 10-1 | 2.237 4 × 10-3 | 1.209 54 | 5.3788 × 10-4 | 1.314 20 | 5.382 8 × 10-4 | 1.314 22 | 1.313 47 | |||
5.00 × 10-2 | 2.667 7 × 10-3 | 1.208 75 | 1.3675 × 10-4 | 1.313 32 | 1.371 5 × 10-4 | 1.313 34 | 1.313 15 | |||
2.50 × 10-2 | 2.775 3 × 10-3 | 1.208 56 | 3.6469 × 10-5 | 1.313 10 | 3.646 9 × 10-5 | 1.313 12 | 1.313 07 | |||
1.25 × 10-2 | 2.802 2 × 10-3 | 1.208 51 | 1.1414 × 10-5 | 1.313 04 | 1.181 5 × 10-5 | 1.313 06 | 1.313 05 | |||
6.25 × 10-3 | 2.808 9 × 10-3 | 1.208 45 | 5.1510 × 10-6 | 1.313 03 | 5.552 2 × 10-6 | 1.313 05 | 1.313 04 |
表2 傅里叶伪谱方法下, Contact-interacting Hooke atom密度的数值误差‖ρwFourier - ρsfinest‖∞与能量
Table 2 Density errors ‖ρwFourier - ρsfinest‖∞ and energies of contact-interacting Hooke atom with Fourier pseudo-spectral method
h | Wigner: 傅里叶伪谱方法 | Schrödinger | ||||||||
N = 16 | N = 32 | N = 64 | ||||||||
error | energy | error | energy | error | energy | energy | ||||
2.00 × 10-1 | 4.518 0 × 10-4 | 1.212 67 | 2.218 5 × 10-3 | 1.317 50 | 2.218 9 × 10-3 | 1.317 52 | 1.314 76 | |||
1.00 × 10-1 | 2.237 4 × 10-3 | 1.209 54 | 5.3788 × 10-4 | 1.314 20 | 5.382 8 × 10-4 | 1.314 22 | 1.313 47 | |||
5.00 × 10-2 | 2.667 7 × 10-3 | 1.208 75 | 1.3675 × 10-4 | 1.313 32 | 1.371 5 × 10-4 | 1.313 34 | 1.313 15 | |||
2.50 × 10-2 | 2.775 3 × 10-3 | 1.208 56 | 3.6469 × 10-5 | 1.313 10 | 3.646 9 × 10-5 | 1.313 12 | 1.313 07 | |||
1.25 × 10-2 | 2.802 2 × 10-3 | 1.208 51 | 1.1414 × 10-5 | 1.313 04 | 1.181 5 × 10-5 | 1.313 06 | 1.313 05 | |||
6.25 × 10-3 | 2.808 9 × 10-3 | 1.208 45 | 5.1510 × 10-6 | 1.313 03 | 5.552 2 × 10-6 | 1.313 05 | 1.313 04 |
h | K = 0 | K = 1 | K = 2 | |||||
error | rate | error | rate | error | rate | |||
2.00 × 10-1 | 2.101 5 × 10-3 | 1.970 0 × 10-3 | 2.286 6 × 10-3 | |||||
1.00 × 10-1 | 5.769 0 × 10-4 | 1.865 0 | 5.137 8 × 10-4 | 1.939 0 | 6.020 1 × 10-4 | 1.925 3 | ||
5.00 × 10-2 | 1.653 6 × 10-4 | 1.802 7 | 1.358 0 × 10-4 | 1.919 7 | 1.584 1 × 10-4 | 1.926 1 | ||
2.50 × 10-2 | 4.854 0 × 10-5 | 1.768 4 | 3.582 0 × 10-5 | 1.922 6 | 4.128 2 × 10-5 | 1.940 1 | ||
6.25 × 10-3 | 1.245 4 × 10-5 | 1.962 5 | 8.204 2 × 10-6 | 2.126 3 | 9.303 2 × 10-6 | 2.149 7 |
表3 简化Grad矩方法下,Contact-interacting Hooke atom的相对误差$\operatorname{max}_{0 \leqslant k \leqslant K}\left\|f_{2 k}-f_{2 k}^{\text {finest }}\right\|_{\infty} $与收敛阶
Table 3 Relative errors $\operatorname{max}_{0 \leqslant k \leqslant K}\left\|f_{2 k}-f_{2 k}^{\text {finest }}\right\|_{\infty} $ and convergence order with simplified Grad moment method for contact-interacting Hooke atom
h | K = 0 | K = 1 | K = 2 | |||||
error | rate | error | rate | error | rate | |||
2.00 × 10-1 | 2.101 5 × 10-3 | 1.970 0 × 10-3 | 2.286 6 × 10-3 | |||||
1.00 × 10-1 | 5.769 0 × 10-4 | 1.865 0 | 5.137 8 × 10-4 | 1.939 0 | 6.020 1 × 10-4 | 1.925 3 | ||
5.00 × 10-2 | 1.653 6 × 10-4 | 1.802 7 | 1.358 0 × 10-4 | 1.919 7 | 1.584 1 × 10-4 | 1.926 1 | ||
2.50 × 10-2 | 4.854 0 × 10-5 | 1.768 4 | 3.582 0 × 10-5 | 1.922 6 | 4.128 2 × 10-5 | 1.940 1 | ||
6.25 × 10-3 | 1.245 4 × 10-5 | 1.962 5 | 8.204 2 × 10-6 | 2.126 3 | 9.303 2 × 10-6 | 2.149 7 |
h | N = 16 | N = 32 | N = 64 | |||||
error | rate | error | rate | error | rate | |||
2.00 × 10-1 | 2.357 1 × 10-3 | 2.213 4 × 10-3 | 2.213 3 × 10-3 | |||||
1.00 × 10-1 | 5.715 5 × 10-4 | 2.044 1 | 5.327 3 × 10-4 | 2.054 8 | 5.327 2 × 10-4 | 2.054 8 | ||
5.00 × 10-2 | 1.412 7 × 10-4 | 2.016 5 | 1.316 0 × 10-4 | 2.017 3 | 1.316 0 × 10-4 | 2.017 3 | ||
2.50 × 10-2 | 3.362 4 × 10-5 | 2.070 8 | 3.131 8 × 10-5 | 2.071 1 | 3.131 8 × 10-5 | 2.071 1 | ||
6.25 × 10-3 | 6.726 6 × 10-6 | 2.321 6 | 6.263 3 × 10-6 | 2.322 0 | 6.263 2 × 10-6 | 2.322 0 |
表4 傅里叶伪谱方法下,Contact-interacting Hooke atom的相对误差$\max _{\alpha \in \mathcal{I}_N}\left\|a_\alpha-a_\alpha^{\text {finest }}\right\|_{\infty} $与收敛阶
Table 4 Relative errors $\max _{\alpha \in \mathcal{I}_N}\left\|a_\alpha-a_\alpha^{\text {finest }}\right\|_{\infty} $ and convergence order with Fourier pseudo-spectral method for contact-interacting Hooke atom
h | N = 16 | N = 32 | N = 64 | |||||
error | rate | error | rate | error | rate | |||
2.00 × 10-1 | 2.357 1 × 10-3 | 2.213 4 × 10-3 | 2.213 3 × 10-3 | |||||
1.00 × 10-1 | 5.715 5 × 10-4 | 2.044 1 | 5.327 3 × 10-4 | 2.054 8 | 5.327 2 × 10-4 | 2.054 8 | ||
5.00 × 10-2 | 1.412 7 × 10-4 | 2.016 5 | 1.316 0 × 10-4 | 2.017 3 | 1.316 0 × 10-4 | 2.017 3 | ||
2.50 × 10-2 | 3.362 4 × 10-5 | 2.070 8 | 3.131 8 × 10-5 | 2.071 1 | 3.131 8 × 10-5 | 2.071 1 | ||
6.25 × 10-3 | 6.726 6 × 10-6 | 2.321 6 | 6.263 3 × 10-6 | 2.322 0 | 6.263 2 × 10-6 | 2.322 0 |
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