Double excitations in molecules from ensemble density functionals: Theory and approximations

物理 密度泛函理论 激发态 随机相位近似 统计物理学 量子力学 激发 局部密度近似 基态
作者
Tim Gould,Leeor Kronik,Stefano Pittalis
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:104 (2) 被引量:17
标识
DOI:10.1103/physreva.104.022803
摘要

Double excitations, which are dominated by a Slater determinant with both electrons in the highest occupied molecular orbital promoted to the lowest unoccupied orbital(s), pose significant challenges for low-cost electronic structure calculations based on density-functional theory (DFT). Here, we demonstrate that recent advances in ensemble DFT [Gould et al., Phys. Rev. Lett. 125, 233001 (2020)], which extend concepts of ground-state DFT to excited states via a rigorous physical framework based on the ensemble fluctuation-dissipation theorem, can be used to shed light on the double-excitation problem. We find that the exchange physics of double excitations is reproducible by standard DFT approximations using a linear combination formula, but correlations are more complex. In passing, to analyze correlation, we extend the random-phase approximation to ensembles. We then show, using selected test systems, that standard DFT approximations may be adapted to tackle double excitations based on theoretically motivated simple formulas that employ ensemble extensions of expressions that use the on-top pair density.

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