Кіріспе

Көп дене жүйелерін жуықтау әдісі

Жұптасқан кластер (ЖК) – көп дене жүйелерін сипаттау үшін қолданылатын сандық әдіс. Оның ең көп таралған қолданылуы – есептеу химиясы саласындағы бірнеше Хартри-Фоктан кейінгі кванттық химия әдістерінің бірі, бірақ ол ядролық физикада да қолданылады. Жұптасқан кластер негізінен негізгі Хартри-Фок молекулалық орбиталды әдісін қолданады және электрондық байланысты есепке алу үшін экспоненциалдық кластер операторының көмегімен көп электронды толқын функцияларын құрастырады. Кіші және орта өлшемді молекулалар үшін ең дәл есептеулер осы әдісті пайдаланады. Әдісті бастапқыда 1950 жылдары Фриц Костер мен Герман Кюмель ядролық физика құбылыстарын зерттеу үшін әзірлеген, бірақ 1966 жылы Жири Чижек (кейін Йозеф Палдуспен бірге) атомдар мен молекулаларда электрондық байланыс мәселесін қайта қарастырған кезде оның қолданылуы жиіледі. Қазір бұл кванттық химияда электрондық корреляцияны қамтитын ең көп таралған әдістердің бірі. ЖК теориясы – Октай Синаноглудың көп электронды теориясының (КЭТ) бұзылу нұсқасы, ол көп электронды мәселенің нақты (және вариациялық) шешімі болып табылады, сондықтан оны «жұптасқан жұп КЭТ (ЖЖКЭТ)» деп те атайды. Ж. Чижек энергияны алу үшін КЭТ-тің корреляциялық функциясын және Голдстоун типіндегі бұзылу теориясын қолданды, ал бастапқы КЭТ толығымен вариациялық болды. Чижек алдымен сызықтық ЖЖКЭТ-ті әзірледі, содан кейін 1966 жылы сол жұмысында оны толық ЖЖКЭТ-ке жалпылады. Ол сондай-ақ сол жылы Синаноглумен бірлесіп бензол молекуласына осы әдісті қолданды. КЭТ есептеулерді жүргізуге біршама қиындық тудыратындықтан, ЖК оңайырақ, сондықтан қазіргі есептеу химиясында ЖК КЭТ-тің ең жақсы нұсқасы болып табылады және тәжірибелермен салыстырғанда өте дәл нәтижелер береді.

Теорияның жалпы сипаттамасы

Теңдеулердің және оларға сәйкес келетін компьютерлік кодтардың күрделілігі, сондай-ақ есептеу құны, қозудың ең жоғары деңгейімен бірге күрт өседі. Көптеген қолданбалар үшін CCSD, салыстырмалы түрде арзан болғанымен, ең кішкентай жүйелерден (шамамен 2-ден 4 электронға дейін) басқа жеткілікті дәлдік бермейді, сондықтан көбінесе үштіктерді жуықтап есептеу қажет. Байланысты үштіктердің шамасын беруге мүмкіндік беретін ең танымал біріктірілген кластерлік әдіс – CCSD(T), ол тепе-теңдік геометриясына жақын жабық қабықшалы молекулаларды жақсы сипаттайды, бірақ байланыстың үзілуі және дирадикалдар сияқты күрделі жағдайларда дұрыс емес нәтижелер береді. Стандартты CCSD(T) әдісінің кемшіліктерін жоятын тағы бір танымал әдіс – CR ("толыққанды қайта нормаланған") CC(2,3), онда энергияға үштіктердің үлесі нақты шешім мен CCSD энергиясының айырмасынан есептеледі және бұзылу теориясының аргументтеріне сүйенбейді. CCSDT және CCSDTQ сияқты күрделі біріктірілген кластерлік әдістер тек кіші молекулалардың жоғары дәлдікті есептеулері үшін қолданылады. n электронды жүйе үшін барлық n деңгейлі қозуды ескеруге алу, берілген базистік жиынтықта Шредингер теңдеуінің нақты шешімін береді, Борн-Оппенгеймер жуықтауы шеңберінде (бірақ BO жуықтауысыз жұмыс істеуге бағытталған схемалар да жасалған). Стандартты біріктірілген кластерлік тәсілді жақсартудың бір жолы – CCSD R12 сияқты әдістер арқылы электрондық арақашықтықтарға сызықтық мүшелерді қосу. Бұл, Катоның құйрық шартын орындау арқылы динамикалық электрондық корреляцияны жақсартады және орбиталық базистік жиынтыққа қатысты конвергенцияны үдетіп, тиімділікке жеткізеді. Алайда, R12 әдістері бірлік матрицасын шешуді қажет етеді, бұл жақсы жуықтау үшін салыстырмалы түрде үлкен базистік жиынтықты талап етеді. Жоғарыда сипатталған біріктірілген кластерлік әдіс сондай-ақ бір анықтамалық (SR) біріктірілген кластерлік әдіс ретінде белгілі, өйткені экспоненциалдық ансац тек бір анықтамалық функцияны қамтиды. SR CC әдісінің стандартты жалпыламалары – көп анықтамалық (MR) тәсілдер: күйге әмбебап біріктірілген кластер (сондай-ақ Хилберт кеңістігімен біріктірілген кластер), валенттік әмбебап біріктірілген кластер (немесе Фок кеңістігімен біріктірілген кластер) және күйге селективті біріктірілген кластер (немесе күйге қатысты біріктірілген кластер).

Ядролық физикада қолдану

Ядролық физикада 1980 және 1990 жылдары кванттық химия саласындағыдан гөрі, қосарланған кластерлер әдісі аз қолданылды. Күштірек компьютерлер, сондай-ақ теориядағы жетістіктер (мысалы, үш нуклондық өзара әрекеттесуді қосу) осыдан кейін әдіске деген жаңа қызығушылықты қайта жақтандырды және ол нейтронға қаныққан және орташа массалы ядроларға сәтті қолданылды. Қосарланған кластерлер – ядролық физикадағы бірнеше ab initio әдістерінің бірі және жабық немесе дерлік жабық қабықшалары бар ядролар үшін ерекше қолайлы.