杂化泛函方法与动力学平均场理论的组合及其在强关联材料中的应用

To study the exotic physical properties of strongly correlated materials by using first-principles calculations is always one of the most challenging topics in the condense matter physics. Unfortunately, traditional density functional theory which is based on the single-particle approximation, cannot be used to describe the physical properties of strongly correlated materials correctly. The hybrid functional method is a natural extension of the density functional theory. It introduces the exact Hatree-Fock exchange energy and captures some underlying physics in strongly correlated materials. On the other hand, hitherto the dynamical mean-field theory is the best approach to solve the interacting many-body model Hamiltonian, but it cannot be used to study the realistic materials directly. In this project, we will try to combine these two methods to provide a new computational approach for strongly correlated materials. We will implement this approach in a full-fledged software package. And then we will use it to study the electronic structures of MnO and YbS which are typical correlated materials to demonstrate the usefulness of this new method.

使用第一原理计算方法研究强关联电子材料的奇异物理特性一直是凝聚态物理领域最具挑战性的研究方向之一。传统的密度泛函理论基于单电子近似，并不能够很好地描述强关联电子材料的性质。杂化泛函方法构建在密度泛函理论之上，它通过引入严格的Hartree-Fock交换能，显著提升了能隙、磁矩等物理量的计算精度。而动力学平均场理论则属于多体理论的范畴，它是目前公认的求解电子相互作用模型最好的方法。本项目将尝试把杂化泛函方法与动力学平均场理论结合在一起，用于解决强关联电子材料的电子结构计算问题。本项目将开发一套功能完备的计算软件，并深入探讨此新方法新计算软件在MnO、YbS等典型的强关联电子材料中的应用。

研发适用于强关联电子体系的第一原理计算方法是凝聚态物理领域一项十分紧迫的任务。在本项目中，首先发展并改进了DFT + DMFT方法。在DFT部分，尝试使用杂化密度泛函或者是Modified Becke Johnason交换势来获得更精确的杂质能级，在DMFT部分，采用各种先进的技术(例如机器学习方法、正交多项式表象等等)来加速其核心计算引擎----基于连续时间量子蒙特卡洛算法的量子杂质模型求解器。然后，应用自主研发的DFT + DMFT方法研究了YbS中的金属-绝缘体相变、MnO中的高自旋态-低自旋态相变、金属Ce的各种同素异形体的4f电子结构、金属Cf的价态涨落以及具有轨道选择性的局域-离域交叉、Ce基重费米子材料CeIn3、CeB6、CeM2Si2的各种反常量子物理特性等等。本项目的研究结果将有助于增进对于强关联电子体系中复杂物理现象的认识。