Electron Correlations and Materials Properties

در حدود سی سال گذشته، تلاش‌ها برای شناسایی منشاء الکترونیکی خواص مواد در دو روش متمایز و ظاهراً متفاوت پیش رفته است. از یک طرف، روش‌های به اصطلاح تک ذره‌ای مبتنی بر مطالعه یک الکترون منفرد است که در یک میدان مؤثر تشکیل شده توسط سایر الکترون‌ها و هسته‌های موجود در سیستم، حرکت می‌کند. نظریه باند، همانطور که به این رویکرد اشاره می‌شود، موفقیت‌های چشمگیری در تعیین ویژگی‌های تعادلی، مانند پایداری ساختاری، حجم و چگالی بار، مواد خاص، به‌ویژه فلزات داشته است. امروزه، حتی نمودارهای فاز منسجم (بر اساس یک شبکه زیرین واحد) برای آلیاژهای فلزی دوتایی را می توان با دقت قابل توجهی مطالعه کرد. علیرغم محدودیت‌های جدی و کاملاً درک شده آن در مورد مدیریت همبستگی‌ها، نظریه باند توسط دانشمندان علم مواد پذیرفته شده است. ماهیت تک ذره‌ای آن به روش اقتصادی از مفاهیم می‌بخشد که منجر به شناسایی واضح مکانیسم‌های هدایت کننده رفتار فیزیکی در سطح الکترونیکی می‌شود. این وضوح درک شده اغلب تمایل دارد نگرانی های مشروع در مورد اعتبار روش یا توانایی آن در شناسایی صحیح مکانیسم ها را در وهله اول نادیده بگیرد. روش جایگزینی که در مطالعه سیستم‌های کوانتومی دنبال می‌شود، شامل مواردی است که می‌توان از آن به عنوان نظریه مرسوم چند جسمی یاد کرد. این روش مبتنی بر تلاش‌هایی برای مطالعه صریح اثرات همبستگی‌های بین ذره‌ای با استفاده از تعدادی رویکرد رسمی مختلف است، از جمله، اما نه محدود به، روش‌های اغتشاش، روش‌های معادله حرکت تابع سبز، برهمکنش‌های پیکربندی، مونت کارلو کوانتومی، و موارد دیگر. /p>

Over the last thirty years or so, the attempts to identify the electronic origins of materials properties have proceeded along two distinct and apparently divergent methodologies. On the one-hand, so-called single-particle methods are based on the study of a single electron moving in an effective field formed by the other electrons and the nuclei in the system. Band theory, as this approach is referred to, has had impressive successes in determining the equilibrium properties, such as structural stability, volume, and charge densities, of specific materials, notably metals. Today, even coherent phase diagrams (based on a single underlying lattice) for binary metallic alloys can be studied with considerable accuracy. In spite of its serious and well-understood limitations regarding the handling of correlations, band theory has been embraced by the materials scientist. Its single-particle nature endows the method with an economy of concepts which leads to a clear identification of mechanisms driving physical behavior at the electronic level. This perceived clarity often tends to override legitimate concerns regarding the validity of the method or its ability to correctly identify the mechanisms in the first place. The alternative methodology pursued in the study of quantum systems consists of what can be referred to as conventional many-body theory. This methodology is based on attempts to study explicitly the effects of interparticle correlations using a number of different formal approaches, including but not limited to, perturbation methods, Green-function equation of motion methods, configuration interactions, quantum Monte Carlo, and others.