从理论物理到电子结构
瓦尔特·科恩(Walter Kohn,1923—2016),亦译沃尔特·科恩,生于维也纳,是研究凝聚态与电子结构的理论物理学家。少年时期,他通过儿童救援运输离开纳粹统治下的奥地利,后来在加拿大和美国求学,1948年获哈佛大学博士学位。他在加州大学圣迭戈分校任职期间发展了密度泛函理论。
1979年,科恩成为加州大学圣巴巴拉分校理论物理研究所的首任所长。他对半导体、表面和催化也有研究,但最广泛的影响来自一个跨越物理与化学的问题:怎样计算许多相互作用电子共同决定的物质性质。1998年诺贝尔化学奖表彰了他对密度泛函理论的贡献。
把基态密度放到中心
多电子波函数须同时描述各个电子的坐标,直接处理时复杂度迅速增加。电子密度则表示空间各处电子分布的多少,只依赖三维位置。问题在于:这样较简洁的量是否丢掉了决定体系性质的关键信息?
1964年,科恩与皮埃尔·霍恩伯格给出密度泛函理论的严格基础。在通常讨论的非相对论电子体系中,基态密度确定外势,差一个无关紧要的加法常数;相应能量泛函在合适的试探密度集合中,以真实基态密度取得最低值。“泛函”指输入整个密度函数后得到数值的规则。这是关于信息和变分原理的结论,不等于已经写出了可供任意材料直接使用的精确公式。
参考:[3]
与沈吕九建立自洽方程
1965年,科恩与沈吕九(Lu Jeu Sham)进一步提出可计算的途径:借助处在有效势中的辅助非相互作用电子体系来表示密度,并单独处理其动能。真实电子相互作用中未被经典静电项和辅助动能涵盖的部分,被归入交换关联能泛函。
计算具有自洽性质:先假定密度,由它构造有效势,解出轨道,再从轨道求新密度,反复调整直至彼此相容。这里的辅助电子不是说真实电子互不作用,而是把复杂相互作用重新组织进能量和势的表达式。科恩—沈方程因此架起了抽象密度理论与实际电子结构计算之间的桥梁。
参考:[4]
成功依赖近似,也受近似限制
1965年的论文采用均匀电子气的性质,近似表示各位置的交换关联贡献。这类局域密度近似借用局部密度,却不意味着真实原子或分子的密度处处均匀。原论文已讨论密度快速变化、有限体系边界等误差来源,既提出应用前景,也明确保留适用条件。
科恩在后来的诺贝尔讲演中强调,实用性取决于能否找到既简便又足够准确的交换关联近似。形式上的精确框架不能为每一种近似结果担保;有的近似善于预测几何结构,在强电子关联问题上却可能失效。因此,密度泛函理论的成就,是提供了可扩展、可检验的计算路线,而非精确解决所有材料的一张万能公式。