耦合簇方法提供了一種近似求解不含時薛丁格方程 的方法:
H
^
|
Ψ
⟩
=
E
|
Ψ
⟩
{\displaystyle {\hat {H}}\vert {\Psi }\rangle =E\vert {\Psi }\rangle }
這裡
H
^
{\displaystyle {\hat {H}}}
表示體系的哈密頓量。體系的基態波函數與基態能量分別用
|
Ψ
⟩
{\displaystyle \vert {\Psi }\rangle }
和 E 來表示。耦合簇理論的其它變體,如運動方程耦合簇方法 和多參考態耦合簇方法 ,則提供了求解體系激發態的方法。[ 4] [ 5]
體系的基態波函數可以用下面的擬設 來表出:
|
Ψ
⟩
=
e
T
^
|
Φ
0
⟩
{\displaystyle \vert {\Psi }\rangle =e^{\hat {T}}\vert {\Phi _{0}}\rangle }
式中
|
Φ
0
⟩
{\displaystyle \vert {\Phi _{0}}\rangle }
為哈特里-福克 基態波函數,
T
^
{\displaystyle {\hat {T}}}
是一個激發算符,稱為簇算符,當它作用在
|
Φ
0
⟩
{\displaystyle \vert {\Phi _{0}}\rangle }
上時,得到一組斯萊特行列式 的線性組合。(詳情見下文)
在擬設的選取上,CC 方法比起其它的方法例如組態相互作用方法 (CI)有優勢。這是因為這一擬設具有大小廣延性 。CC 方法的大小一致性取決於參考波函數的大小一致性。CC 方法的一個主要缺陷是,它不是變分 的。
簇算符由下式給出:
T
^
=
T
^
1
+
T
^
2
+
T
^
3
+
⋯
{\displaystyle {\hat {T}}={\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2}+{\hat {T}}_{3}+\cdots }
其中
T
^
1
{\displaystyle {\hat {T}}_{1}}
是包含所有單激發的算符,
T
^
2
{\displaystyle {\hat {T}}_{2}}
是包含所有雙激發的算符,余類推。這些算符可以通過正則量子化 表達為下列形式[ 6] :
T
^
1
=
∑
i
∑
a
t
i
a
a
^
a
†
a
^
i
,
{\displaystyle {\hat {T}}_{1}=\sum _{i}\sum _{a}t_{i}^{a}{\hat {a}}_{a}^{\dagger }{\hat {a}}_{i},}
T
^
2
=
1
4
∑
i
,
j
∑
a
,
b
t
i
j
a
b
a
^
a
†
a
^
b
†
a
^
j
a
^
i
,
{\displaystyle {\hat {T}}_{2}={\frac {1}{4}}\sum _{i,j}\sum _{a,b}t_{ij}^{ab}{\hat {a}}_{a}^{\dagger }{\hat {a}}_{b}^{\dagger }{\hat {a}}_{j}{\hat {a}}_{i},}
余類推。
在上面的式子中,
a
^
†
{\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }}
和
a
^
{\displaystyle {\hat {a}}}
分別是電子的產生及湮沒算符 。下標 i, j 表示占據軌道,而 a, b 表示空軌道。在耦合簇算符中的產生和湮沒算符按照正規序 排列。單粒子激發算符
T
^
1
{\displaystyle {\hat {T}}_{1}}
和雙粒子激發算符
T
^
2
{\displaystyle {\hat {T}}_{2}}
分別把
|
Φ
0
⟩
{\displaystyle \vert {\Phi _{0}}\rangle }
變為單激發和雙激發斯萊特行列式的線性組合。為了最終得到體系的波函數,需要求解擬設中的待定係數
t
i
a
{\displaystyle t_{i}^{a}}
,
t
i
j
a
b
{\displaystyle t_{ij}^{ab}}
等。
考慮到簇算符
T
^
{\displaystyle {\hat {T}}}
的結構後,指數耦合算符
e
T
^
{\displaystyle e^{\hat {T}}}
可以展開成泰勒級數 :
e
T
^
=
1
+
T
^
+
T
^
2
2
!
+
⋯
=
1
+
T
^
1
+
T
^
2
+
T
^
1
2
2
+
T
^
1
T
^
2
+
T
^
2
2
2
+
⋯
{\displaystyle e^{\hat {T}}=1+{\hat {T}}+{\frac {{\hat {T}}^{2}}{2!}}+\cdots =1+{\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2}+{\frac {{\hat {T}}_{1}^{2}}{2}}+{\hat {T}}_{1}{\hat {T}}_{2}+{\frac {{\hat {T}}_{2}^{2}}{2}}+\cdots }
事實上,這一級數是有限的,因為分子軌道的數目與激發的數目都是有限的。為了簡化求解係數
t
{\displaystyle t}
的過程,
T
^
{\displaystyle {\hat {T}}}
的展開式中一般在雙激發或略高一點的激發處截斷,很少有超過四激發的。這是因為是否包含五激發以上的算符
T
^
5
{\displaystyle {\hat {T}}_{5}}
、
T
^
6
{\displaystyle {\hat {T}}_{6}}
等,對最終計算結果的影響很小。而且,即使只在簇算符的表達式中取前
n
{\displaystyle n}
項:
T
^
=
T
^
1
+
.
.
.
+
T
^
n
{\displaystyle {\hat {T}}={\hat {T}}_{1}+...+{\hat {T}}_{n}}
那麼由於耦合算符具有指數形式,高於
n
{\displaystyle n}
激發的斯萊特行列式仍然會對最終的波函數有貢獻。因此,在
T
^
n
{\displaystyle {\hat {T}}_{n}}
處截斷的 CC 方法通常能比激發數最高為
n
{\displaystyle n}
的 CI 方法獲得更多的電子相關能修正。
耦合簇方程就是展開係數
t
{\displaystyle t}
所滿足的方程。有多種方法來書寫這一方程,其中標準的做法是會得到一個可以迭代求解的方程組。耦合簇方法的薛丁格方程可以寫成:
H
^
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
=
E
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
{\displaystyle {\hat {H}}e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle =Ee^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle }
假設現在共有
q
{\displaystyle q}
個
t
{\displaystyle t}
係數需要求解。於是我們需要
q
{\displaystyle q}
個方程。注意到每一個
t
{\displaystyle t}
係數都與唯一的一個激發斯萊特行列式相關聯:
t
i
j
k
.
.
.
a
b
c
.
.
.
{\displaystyle t_{ijk...}^{abc...}}
對應的是
|
Φ
0
⟩
{\displaystyle \vert {\Phi _{0}}\rangle }
中處於
i
,
j
,
k
,
⋯
{\displaystyle i,j,k,\cdots }
軌道上的電子分別被激發到
a
,
b
,
c
,
⋯
{\displaystyle a,b,c,\cdots }
軌道上所得的行列式。上式兩邊向對應的行列式投影,就得到了我們所要的
q
{\displaystyle q}
個方程。
⟨
Ψ
∗
|
H
^
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
=
E
⟨
Ψ
∗
|
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
{\displaystyle \langle {\Psi ^{*}}\vert {\hat {H}}e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle =E\langle {\Psi ^{*}}\vert e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle }
式中
|
Ψ
∗
⟩
{\displaystyle \vert {\Psi ^{*}}\rangle }
表示任意一個與待求的
t
{\displaystyle t}
係數相關聯的激發行列式。為了更好地利用這些方程之間的聯繫,我們可以把上面的方程改寫成一種更方便的形式,將
e
−
T
^
{\displaystyle e^{-{\hat {T}}}}
乘到耦合簇薛丁格方程兩端,然後分別向
Ψ
0
{\displaystyle \Psi _{0}}
和
Ψ
∗
{\displaystyle \Psi ^{*}}
投影,我們得到:
⟨
Ψ
0
|
e
−
T
^
H
^
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
=
E
{\displaystyle \langle {\Psi _{0}}\vert e^{-{\hat {T}}}{\hat {H}}e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle =E}
⟨
Ψ
∗
|
e
−
T
^
H
^
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
=
E
⟨
Ψ
∗
|
e
−
T
^
e
T
^
|
Ψ
0
⟩
=
0
{\displaystyle \langle {\Psi ^{*}}\vert e^{-{\hat {T}}}{\hat {H}}e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle =E\langle {\Psi ^{*}}\vert e^{-{\hat {T}}}e^{\hat {T}}\vert {\Psi _{0}}\rangle =0}
第一式提供了求解 CC 能量的方法,第二式則是用來求解
t
{\displaystyle t}
係數的方程。以標準的 CCSD 方法為例,方程組中包括下面三組方程:
⟨
Ψ
0
|
e
−
(
T
^
1
+
T
^
2
)
H
^
e
(
T
^
1
+
T
^
2
)
|
Ψ
0
⟩
=
E
{\displaystyle \langle {\Psi _{0}}\vert e^{-({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}{\hat {H}}e^{({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}\vert {\Psi _{0}}\rangle =E}
⟨
Ψ
S
|
e
−
(
T
^
1
+
T
^
2
)
H
^
e
(
T
^
1
+
T
^
2
)
|
Ψ
0
⟩
=
0
{\displaystyle \langle {\Psi _{S}}\vert e^{-({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}{\hat {H}}e^{({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}\vert {\Psi _{0}}\rangle =0}
⟨
Ψ
D
|
e
−
(
T
^
1
+
T
^
2
)
H
^
e
(
T
^
1
+
T
^
2
)
|
Ψ
0
⟩
=
0
{\displaystyle \langle {\Psi _{D}}\vert e^{-({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}{\hat {H}}e^{({\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2})}\vert {\Psi _{0}}\rangle =0}
上式中經相似變換後的哈密頓量(用
H
¯
{\displaystyle {\bar {H}}}
表示)可以通過BCH 公式 求出:
H
¯
=
e
−
T
^
H
^
e
T
^
=
H
^
+
[
H
^
,
T
^
]
+
1
2
[
[
H
^
,
T
^
]
,
T
^
]
+
⋯
{\displaystyle {\bar {H}}=e^{-{\hat {T}}}{\hat {H}}e^{\hat {T}}={\hat {H}}+\left[{\hat {H}},{\hat {T}}\right]+{\frac {1}{2}}\left[\left[{\hat {H}},{\hat {T}}\right],{\hat {T}}\right]+\cdots }
H
¯
{\displaystyle {\bar {H}}}
不是厄米的。
傳統上耦合簇方法依照
T
^
{\displaystyle {\hat {T}}}
中包含哪些
T
^
n
{\displaystyle {\hat {T}}_{n}}
算符來進行分類。相應的方法名稱則由 CC 後面加上相應的字母構成:
S - 單激發 (在英語的 CC 術語裡面簡稱 singles )
D - 雙激發 (doubles )
T - 三激發 (triples )
Q - 四激發 (quadruples )
例如,CCSDT 方法裡面簇算符
T
^
{\displaystyle {\hat {T}}}
的表達式如下:
T
=
T
^
1
+
T
^
2
+
T
^
3
.
{\displaystyle T={\hat {T}}_{1}+{\hat {T}}_{2}+{\hat {T}}_{3}.}
在圓括號裡面的項則表示它們是通過微擾理論 求得的。例如 CCSD(T) 表示:
耦合簇方法
包含完整的單激發和雙激發
三激發則採用微擾理論而不是迭代求解
^
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