Кіріспе
Молекулалар мен қатты денелерді модельдеуге арналған кванттық механикалық негіздер. Уақытқа тәуелді тығыздық функционалдық теориясы (УТТФТ) – физика және химияда электрлік немесе магниттік өрістер сияқты уақытқа өзгеретін потенциалдардың әсерімен көп дене жүйелерінің қасиеттері мен динамикасын зерттеуге қолданылатын кванттық механикалық теория. Мұндай өрістердің молекулалар мен қатты денелерге тигізетін әсерін УТТФТ арқылы зерттеуге болады, осы арқылы қозу энергиялары, жиілікке тәуелді жауап беру қасиеттері және фотоабсорбция спектрлері сияқты ерекшеліктерді анықтауға болады. УТТФТ – тығыздық функционалдық теориясының (DFT) кеңейтілген түрі, және тұжырымдық және есептеулік негіздері ұқсас – (уақытқа тәуелді) толқындық функцияның (уақытқа тәуелді) электрондық тығыздыққа балама екенін көрсету, содан кейін кез келген берілген өзара әрекеттесетін жүйеге ұқсас тығыздықты қамтамасыз ететін, ойдан шығарылған өзара әрекеттеспейтін жүйенің тиімді потенциалын алу. Мұндай жүйені құру мәселесі УТТФТ үшін күрделірек, себебі кез келген уақыт мезгіліндегі уақытқа тәуелді тиімді потенциал барлық алдыңғы уақыттағы тығыздық мәніне байланысты. Осының салдарынан, УТТФТ-ні іске асыру үшін уақытқа тәуелді жуықтамаларды әзірлеу DFT-ні дамытудан қалып қойды, ал қолданыстар көбінесе осы жад қажеттілігін ескермейді.
Time dependent density functional theory (TDDFT) is a quantum mechanical theory used in physics and chemistry to investigate the properties and dynamics of many body systems in the presence of time dependent potentials, such as electric or magnetic fields. The effect of such fields on molecules and solids can be studied with TDDFT to extract features like excitation energies, frequency dependent response properties, and photoabsorption spectra. TDDFT is an extension of density functional theory (DFT), and the conceptual and computational foundations are analogous – to show that the (time dependent) wave function is equivalent to the (time dependent) electronic density, and then to derive the effective potential of a fictitious non interacting system which returns the same density as any given interacting system. The issue of constructing such a system is more complex for TDDFT, most notably because the time dependent effective potential at any given instant depends on the value of the density at all previous times. Consequently, the development of time dependent approximations for the implementation of TDDFT is behind that of DFT, with applications routinely ignoring this memory requirement.
Шолу
TDDFT-нің формальды негізі – Рунге-Гросс (RG) теоремасы (1984) – Хогенберг-Кон (HK) теоремасының (1964) уақытқа тәуелді аналогы. RG теоремасы берілген бастапқы толқындық функция үшін жүйенің уақытқа тәуелді сыртқы потенциалы мен оның уақытқа тәуелді тығыздығы арасында бірегей сәйкестік бар екенін көрсетеді. Бұл 3N айнымалыға тәуелді көп денелі толқындық функцияның, тек 3 айнымалыға тәуелді тығыздыққа эквивалентті екенін, сондай-ақ жүйенің барлық қасиеттерін тығыздық арқылы анықтауға болатынын білдіреді. DFT-ден айырмашылығы, уақытқа тәуелді кванттық механикада жалпы азайту принципі жоқ. Осы себепті RG теоремасын дәлелдеу HK теоремасынан гөрі күрделі. RG теоремасы ескеріліп, есептеуге пайдалы әдіс әзірлеудегі келесі қадам – зерттеліп отырған физикалық (өзара әрекеттесетін) жүйемен бірдей тығыздыққа ие, ойдағы немесе гипотетикалық өзара әрекеттеспейтін жүйені анықтау болып табылады. DFT-дегідей, бұл (уақытқа тәуелді) Кон-Шам жүйесі деп аталады. Бұл жүйе Келдиш формализмінде анықталған әрекеттік функционалдың тұрақты нүктесі ретінде табылады. TDDFT-нің ең көп қолданылатын саласы – оқшауланған жүйелердің және сирек кездесетін қатты денелердің қозу энергияларын есептеу. Мұндай есептеулер сызықтық жауап функциясының – яғни, сыртқы потенциал өзгергенде электрон тығыздығының қалай өзгеретінінің – жүйенің нақты қозу энергияларында полюстерге ие екендігіне негізделген. Мұндай есептеулер үшін, алмасу-корреляциялық потенциалмен қатар, алмасу-корреляциялық ядро да қажет, ол – тығыздық бойынша алмасу-корреляциялық потенциалдың функционалдық туындысы.