lecture 4 2/7/18 - materials intelligence research

42
Quantum mechanics Lecture 4 2/7/18 1 Harvard SEAS AP 275 Atomistic Modeling of Materials Boris Kozinsky

Upload: others

Post on 07-Feb-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Quantum mechanicsLecture 42/7/18

1Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

References for electronic structure

Richard M. Martin, Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Press (2004).

Mike Finnis, Interatomic Forces in Condensed Matter, Oxford University Press (2003).

Efthimios Kaxiras, Atomic and Electronic Structure of Solids, Cambridge University Press (2003).

2Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Why solve Quantum Mechanics?

Potential models have limited transferability (universality)Need to describe bond breaking Electrons needed for electronic, optical, magnetic properties

3Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

CH3Br: Br displacement by NH3

Bonding and structure

Paraelectric (high T) and ferroelectric (low T) phases of PbTiO3

4Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Quantum electrons hold matter together

• Atoms are made by massive, point‐like nuclei • Surrounded by tightly bound, rigid shells of core electrons that 

do not evolve much• Bound together by a glue of valence electrons• Why don’t electrons fall on the nucleus?

5

Figure from https://suncat.stanford.edu

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Material properties from first principles

Energy scale kBT at our living conditions (~300 K): 0.025 eV

Chemistry: differences in bonding energies are within one order of magnitude of 0.29 eV (hydrogen bond). 

Binding energy of an electron to a proton (hydrogen):13.6058 eV = 1 Rydberg (Ry) = 0.5  Hartree (Ha) = 0.5 a.u

6Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Uncertainty principle

The position and momentum of a particle cannot be simultaneously measured with arbitrarily high precision. There is a minimum for the product of the uncertainties of these two measurements. 

7Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

When is particle like a wave?

8Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

De Broglie hypothesis

Einstein (1905): light is emitted and absorbed discretely De Broglie (1924): all matter is a waveThe smaller the dimension, the more wave‐like the physics

9

40

2220

2 cmcpcmKEmcE

hchE

pcE

ph

Bose‐Einstein condensate

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Light: a wave and a particle

First simultaneous measurement of light as a particle and a wave3.4um x 45nm silver wire with a standing light wave interacting with a beam of single electrons

10

L.Piazza et al, Nature Com. 6, 407 (2015)

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Typical length scales

Atomic diameter is 0.1 nmElectron accelerated through 100V :    λ = 0.12 nmNitrogen molecule at 300K:        λ = 10‐14 nmBaseball at 90mph:          λ = 10‐25 nm

The wavelength of heavy objects is not relevant for bonding

11Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Atomic units convenient for simulations

• 1 unit of charge = absolute charge on an electron = 1.60219 x 10‐19 C

• 1 mass unit = mass of an electron = 9.10593 x 10‐31 kg

• 1 unit of length (1 Bohr) = 5.29177 x 10‐11 m

• 1 unit of energy (1 Hartree) = 4.35981 x 10‐18 J

A couple of observations:1 Bohr = the radius of the first orbit in Bohr’s treatment of the H atom1 Hartree = the interaction between two electrons separated by 1 BohrThe energy of the 1s electron in the H atom is ‐0.5 Hartree

12Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

A particle is like a localized wave

Adding several waves of different wavelength will produce an interference pattern that can localize the “wave packet”

The wavefunction fully describes the state of the systemA differentiable complex function of position and time

13Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Probabilistic interpretation of QM

Instead of specific point positions we talk about probability densities

Wavefunction is “normalized” if

Need to specify amplitude and phase of a continuous function of position!

Much more difficult to describe numerically than a classical point particle

14

is the probability of finding an electron in r and t

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Schrodinger equation

Wave equation of motion: linear partial differential equationPredicts the evolution of the wavefunction in time

15

Hamiltonian

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Evolution of a wavefunction

16

Initially a very localized gaussian wave function of a free particle in 2D

figure from Wikipedia

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Time‐independent Schrodinger equation

Consider a time‐independent potential V(r,t)=V(r) 

e.g. when electrons are much faster than nuclei (adiabatic approximation)

We expect there will be standing wave solutions

After some algebra we get

two eigenvalue equations

17Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Time‐independent Schrodinger equation

The time‐dependent part is trivial to solve

The position part depends on the potential and is difficult

18Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Free particle in one dimension

The Hamiltonian is the kinetic energy operator:

The Schrodinger equation:

Solutions:

19Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Plane wave

Completely delocalized in position spaceFully localized in momentum space (p is known)

20Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Eigenstates: stationary waves

21

Eigenstate solutions are called “stationary” because position probability density does not depend on time

Only need to solve the time‐independent (position) equationThe complete time dependent solution is constructed from eigenvalues and eigenfunctions

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Quantum tunneling

22

The energy of the tunneled particle is the same but the probability amplitude is decreased.

STM image of a graphite surface

figure from Wikipedia

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Infinite square well

Boundary condition: wavefunction vanishes at the walls

Find all plane‐wave like solutions subject to boundary conditions

23

0         x a

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Infinite square well

Only a discrete set of standing wavesEven the ground state has nonzero kinetic energyHigher states have more energy (curvature) and more nodes

24Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

a

Quantum dots

Optical spectrum of nanoparticles depends on sizeQuantum confinement of electrons in the nanoparticle

25

Nature 523, 39–40 (2015)

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Quantum harmonic oscillator

26

Equally spaced energy levels

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Harmonic oscillator wavefunctions

27

figure from Wikipedia

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Quantum atom

Coulomb interaction between the point nucleus and electron

The Laplacian operator term in spherical coordinates looks like

Solution for a 1‐electron atom can be found analytically

28Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Quantum atom solutions

Make an solution ansatz by separation of variables

29

),()()( , lmlnnlm YrR r

The wavefunctions are called “orbitals” and are characterized by three quantum numbers n, l, and m.

n is the principal quantum number: 0, 1, 2, …l is the azimuthal quantum number: 0, 1, … (n‐1)m is the magnetic quantum number: ‐l, ‐(l‐1), …0…,(l‐1), l

and there is spin s

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Hydrogen atom orbitals

30

radial probability densities

angular part of the orbital wavefunctions

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Energy is a function of the principal quantum number n onlyOrbitals with the same n but different l and m are “degenerate.”

The entire chemical alphabet is derived from the stationary solutions of the Coulomb potential Schrodinger equationFor higher‐Z atoms this solution is approximate and the degeneracy is not exactA good approximation assuming the core electrons give rise to a spherically symmetric potential

Quantum atom solutions

31Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Atomic orbitals

32Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Operators

For each observable, there exists an Hermitean operator.  Measurement of the observable yields an eigenvalue of that operator

Examples of operators for single particle systems:

33

rrA 'ˆ ˆ A a r aa r eigenfunction

eigenvalue

ˆ momentumx rx

irpx

rm

rmpprT 2

2

22ˆˆˆ energy kinetic

operator

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

<Bra|Ket> notation

34

)(r

ijjiji rdrr )()(*

iiiii EHrdrrVm

r

ˆ)()(

2)( 2

2*

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Expectation values (averages)

The expectation value of a quantity such as energy, position, momentum, etc., is determined by the corresponding operator

Expectation values of Hermitean operators are real numbers

35Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Let operator A have two eigenstates with different eigenvalues

We can write

Eigenfunctions are orthogonal

36Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Matrix formulation

How to discretize the problem for a numerical solution?

Expand a wavefunction as a linear combination of basis vectors

37

EHrErH ˆ)()(ˆ

functions orthogonalk ..1

nkn

nnc

mm EH ˆmn

knmn EcHc

ˆ..1

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Linear algebra: diagonalization

38

mnmkn

n EcHc

ˆ,1

mkn

nmn EccH ,1

kkkkk

k

c

c

E

c

c

HH

HH

.

.

.

.

.

.

............

...... 11

1

111

HH T*

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Variational principle

39

Expectation value of the energy in the ground state is the lowest possible

Equality holds only if we guessed the exact ground state wavefunction

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Functional

A functional takes a function as input and gives a number as output

An example is an integral                                 or an expectation value

A functional derivative of an integral is

40

yxfF )]([

dxxVxnxnF )()()]([

)(][ xVnnF

H

][

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Variational principle is equivalent to Schrodinger equation

Consider the average quantity

Take functional derivative with respect to the wavefunction

This is “stationary” only if Schrodinger equation is satisfied

Functional derivatives

41Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky

Energy of a Hydrogen atom

First: guess a trial wavefunction

This happens to be the exact ground state of the H atom

42

HE

expC r

2 2 22

3 2

1 1,2 2

C C Cr

normalization constant

Harvard SEAS                    AP 275 Atomistic Modeling of Materials                   Boris Kozinsky