FACULTAD DE CIENCIAS Simulaci´on de la disociaci´on de la mol´ecula de H

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(1)

Simulaci´

on de la disociaci´

on de la mol´

ecula de H

2

bajo el

efecto de un campo el´

ectrico usando un modelo sencillo

(Simulation of the dissociation of the H

2

molecule under an electric field using

a simple quantum mechanical model)

Trabajo de Fin de Grado

para acceder al

GRADO EN F´

ISICA

Autor: ´

Alvaro Soza Mara˜

on

Director: Pablo Garc´

ıa Fern´

andez

(2)

1. Introducci´

on

4

1.1. Importancia de la f´ısica computacional . . . .

4

1.2. M´

etodo para grandes sistemas con estructura fija

. . . .

4

1.3. La mol´

ecula de H

2

. . . .

5

2. Teor´ıa

6

2.1. Introducci´

on . . . .

6

2.2. Introducci´

on a la Teor´ıa del funcional de la densidad

. . . .

6

2.2.1. Teoremas de Hohenberg y Kohn . . . .

8

2.2.2. M´

etodo de Kohn-Sham . . . .

8

2.3. Teor´ıa del funcional de la densidad de segundos principios

. . . .

9

2.4. Funciones de Wannier

. . . .

11

2.5. Propagaci´

on de la matriz densidad

. . . .

12

2.6. Fuerzas

. . . .

13

3. Simulaciones de H

2

a primeros principios

15

3.1. Mol´

ecula de H

2

. . . .

15

3.2. C´

alculos de primeros principios . . . .

17

3.3. Transformaci´

on a una base de funciones de Wannier . . . .

20

4. Simulaciones de H

2

a segundos principios

26

4.1. Introducci´

on . . . .

26

4.2. Construcci´

on del c´

odigo

. . . .

26

5. Conclusiones

29

A. C´

odigo 1: Diagonalizaci´

on del hamiltoniano

31

B. C´

odigo 2: Representaci´

on y c´

alculo de fuerzas

39

C. C´

odigo 3: Segundos principios

56

(3)

El objetivo de este trabajo consiste en estudiar un sistema cu´

antico sencillo, pero con una

gran fenomenolog´ıa como es la mol´

ecula de hidr´

ogeno. Mediante la simulaci´

on de primeros

principios, se ha encontrado la curva de disociaci´

on, las bandas y el hamiltoniano para dos

con-figuraciones distintas. Se ha comprobado que el modelo sencillo a dos niveles no es el adecuado

para entender todos los fen´

omenos presentes en la mol´

ecula, siendo necesario considerar m´

as

niveles.

En un principio se pretend´ıa estudiar la din´

amica temporal de la mol´

ecula tras

interaccio-nar con un campo el´

ectrico, as´ı como explorar posibles estados excitados, poder llegar a ver la

disociaci´

on molecular y los mecanismos implicados en la misma mediante la implementaci´

on de

un c´

odigo desarrollado en Python. Sin embargo, debido a dificultades t´

ecnicas en la

parametri-zaci´

on del modelo esto no se ha llevado acabo, aunque el c´

odigo implementado, se ha testeado

con resultados satisfactorios, permitiendo realizar una continuaci´

on de este trabajo.

Palabras clave: Estructura electr´

onica, disociaci´

on, matriz densidad

(4)

The main goal of this project is to study a simple quantum system with interesting and

varied phenomenology, as it is the hydrogen molecule. By simulating it at the first principles

level the hydrogen molecule’s dissociation curve, its bands and its Hamiltonian were found at

two different simulation levels. It has been confirmed that the simple two-level model is not

suitable to understand all the physical phenomenons of the molecule, therefore a larger number

of levels it is needed.

The initial goal of this work was to study the time dependent dynamics of the molecule after

interacting with an electric field, as well as to explore excited states and be able to observe

the molecular dissociation and the mechanisms involved by means of the implementation of a

Python code. However, this has not been possible due to technical problems. The Python code

has been tested with satisfactory results that will allow us to continue working on this project.

Key words: Electronic structure, dissociation, density matrix

(5)

Introducci´

on

1.1.

Importancia de la f´ısica computacional

Los modelos sencillos se emplean frecuentemente en f´ısica y qu´ımica con el fin de entender

cualitativamente las diferentes interacciones que se dan en el sistema. En la qu´ımica, su uso

est´

a muy extendido debido a que estos modelos sencillos se emplean para determinar como ser´

a

el enlace formado o como ser´

a el crecimiento de un cristal, si estudiamos el estado s´

olido. La

predicci´

on de la formaci´

on del enlace es fundamental, ya que la geometr´ıa molecular determina

en gran manera las propiedades que mostrar´

a el sistema.

Muchos de estos modelos de enlace empleados en qu´ımica, tienen en cuenta de forma

sim-plificada la estructura electr´

onica, c´

omo la teor´ıa de Lewis basada en la idea de conseguir la

estabilidad mediante el llenado de la capa de valencia, y que consiguen determinar, en algunos

casos, el ´

angulo del enlace y es capaz de explicar enlaces m´

ultiples. Existen mejoras a este

tipo de modelos, introduciendo el concepto de orbital y buscando la menor repulsi´

on entre los

electrones.

Otros modelos solo consideran las interacciones electrost´

aticas entre los iones o ´

atomos y la

repulsi´

on entre las nubes electr´

onicas, como ocurre en el modelo de Born-Mayer. Sin embargo,

este modelo solo es aplicable a s´

olidos i´

onicos debido a que la carga se encuentra localizada,

mientras que en el caso del enlace covalente y met´

alico no funciona, debido a que en ambos

tipos de enlace, las nubes electr´

onicas se encuentran mas difundidas por el sistema.

Todos estos modelos no son aplicables a todas las mol´

eculas, no explican adecuadamente el

enlace y tampoco son capaces de explicar ning´

un estado excitado. Adem´

as de no ser capaces de

predecir cuantitativamente ning´

un experimento. Para poder obtener una comprensi´

on adecuada

de la naturaleza del enlace, distancias de equilibrio, distribuci´

on de las nubes de carga, poder

predecir con fiabilidad la geometr´ıa molecular, as´ı como la din´

amica bajo la acci´

on de campos

externos, es necesario la resoluci´

on de la ecuaci´

on de Schr¨

odinger.

Aqu´ı entra en juego f´ısica computacional, dado que la ecuaci´

on de Schr¨

odinger no es resoluble

de forma anal´ıtica para sistemas con mas de dos cuerpos, de forma que tiene que ser resuelta

por m´

etodos num´

ericos. La resoluci´

on nos proporcionar´

a datos precisos acerca de lo que ocurre

en el sistema y, en muchos casos, llegar all´ı donde es dif´ıcil llegar con la experimentaci´

on.

A pesar de la precisi´

on de los c´

alculos obtenidos mediante la simulaci´

on, siempre har´

an falta

modelos, sencillos o no, pero que sean adecuados para la correcta interpretaci´

on y comprensi´

on

de los fen´

omenos que tienen lugar en el sistema de estudio.

1.2.

etodo para grandes sistemas con estructura fija

En la actualidad los m´

etodos computacionales en la simulaci´

on de sistemas se ven limitados,

entre otras cosas, por el n´

umero de ´

atomos que conforman el sistema.

(6)

Los m´

etodos que se emplean para sistemas grandes son, en general, ´

utiles para tener una

idea de como el sistema se comporta en el espacio de fases. Pero en muchos casos, estos m´

etodos

no reproducen de forma fiel el sistema. Esto es debido a la necesidad de introducir importantes

aproximaciones para resolver las ecuaciones. Algunos ejemplos de este tipo de m´

etodos son:

enlace fuerte, hamiltonianos modelo, hamiltoniano de Ising y Heisenberg. Durante los ´

ultimos

nos en la Universidad de Cantabria se han estado desarrollando m´

etodos de simulaci´

on de

estructura electr´

onica para grandes sistemas que van m´

as all´

a que estos modelos com´

unmente

aplicados. A´

un as´ı tienen limitaciones como la necesidad de una estructura de enlaces fija. en

este trabajo vamos a comprobar los l´ımites del m´

etodo aplic´

andolo a la disociaci´

on de una

mol´

ecula sencilla. En el presente trabajo, se pretende utilizar un m´

etodo aplicable a sistema

con gran n´

umero de elementos, siempre que se mantengan la estructura y existan peque˜

nas

variaciones en la densidad electr´

onica del mismo.

1.3.

La mol´

ecula de H

2

En el presente trabajo se ha elegido la mol´

ecula de hidr´

ogeno por un sistema cu´

antico muy

sencillo, pero que posee una gran cantidad de fen´

omenos f´ısicos interesantes. El esquema de

niveles enlazante-antienlazante permite entender experimentos de fotoqu´ımica, mientras que la

curva de disociaci´

on nos lleva de un estado diamagn´

etico a tener dos ´

atomos disociados, que se

corresponde con un estado paramagn´

etico, pasando por fases intermedias, antiferromagn´

eticas.

En la literatura donde es habitual encontrar el modelo sencillo a dos niveles para explicar

el enlace en esta mol´

ecula, muchos autores asumen que los dos orbitales moleculares tienen un

car´

acter perfectamente definido. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la validez de

este modelo con el rigor permitidos por las modernas t´

ecnicas de simulaci´

on de mol´

eculas y

olidos.

(7)

Teor´ıa

2.1.

Introducci´

on

En este cap´ıtulo comenzaremos introduciendo los m´

etodos de primeros principios, en

par-ticular la Teor´ıa del funcional de la densidad, empleado para la resoluci´

on de la ecuaci´

on de

Schr¨

odinger. Se justificar´

a, a partir de las limitaciones de este m´

etodo, las t´

ecnicas de segundos

principios, que permite escalar en el n´

umero de ´

atomos del sistema sin un gran coste

compu-tacional. Ambos m´

etodos tienen como magnitud central la densidad del sistema y veremos, con

la evoluci´

on temporal de esta magnitud, c´

omo se pueden conocer propiedades del sistema fuera

del equilibrio.

omo en todo problema de mec´

anica cu´

antica, necesitamos una base en la que poder

tra-bajar. En este caso se ha optado por una base de funciones de Wannier que, c´

omo veremos,

tiene propiedades que las hacen id´

oneas para nuestro problema.

Por ´

ultimo, aplicando el teorema de Hellmann-Feynman dentro del esquema de segundos

principios, encontraremos una expresi´

on para la fuerza a la que se ve sometida el sistema en un

estado excitado con respecto a uno de referencia.

2.2.

Introducci´

on a la Teor´ıa del funcional de la densidad

Para describir la estructura electr´

onica de un sistema formado por electrones y n´

ucleos hay

que trabajar dentro del marco de la mec´

anica cu´

antica. La ecuaci´

on que rige la mec´

anica del

sistema descrito en un r´

egimen no relativista es la ecuaci´

on de Schr¨

odinger,

i~

d

dt

Ψ (~

r, t) = ˆ

H

TOTAL

Ψ (~

r, t)

(2.1)

donde Ψ es la funci´

on de onda, que representa el estado en el que se encuentra el sistema.

Aunque el objetivo del trabajo es resolver la ecuaci´

on de Schr¨

odinger dependiente del tiempo

ahora nos centraremos en la ecuaci´

on de Schr¨

odinger para el estado estacionario (Ec.2.2) que

es donde mas trabajos existen para encontrar la soluci´

on molecular.

ˆ

H

TOTAL

Ψ (~

r, t) = EΨ (~

r, t)

(2.2)

La resoluci´

on de la ecuaci´

on de Schr¨

odinger no resulta sencilla y su dificultad reside en

el n´

umero de part´ıculas que conformen el sistema y de la forma del potencial. En el sistema

planteado existen interacciones entre muchos cuerpos lo que hace irresoluble (2.1) de forma

anal´ıtica, por lo que hay que emplear aproximaciones. La m´

as importante, que se emplea de

forma habitual en la literatura, es la aproximaci´

on de Born-Oppenheimer, que nos permite

desacoplar el movimiento nuclear y electr´

onico. La separaci´

on de la din´

amica electr´

onica de la

(8)

nuclear tiene su justificaci´

on en la gran diferencia de masa que existe entre los nucleones y los

electrones y en c´

omo responden estos ´

ultimos a cambios en la configuraci´

on nuclear. Para una

explicaci´

on detallada de dicha aproximaci´

on ver las siguientes referencias [1, 7]. Dentro de esta

aproximaci´

on, el hamiltoniano que recoge todas las interacciones del sistema constituido por

N

e

electrones y N

n

nucleones, para una configuraci´

on en la que los n´

ucleos permanecen fijos,

es el siguiente

ˆ

H = ˆ

T

e

+

V

ˆ

ne

+

V

ˆ

ee

+

V

ˆ

nn

=

= −

Ne

X

i

1

2

~

2 i

Nn

X

a Ne

X

i

Z

a

| ~

R

a

− ~

r

i

|

+

Ne

X

i Ne

X

i>j

1

|

r

i

− ~

~

r

j

|

+

Nn

X

a Nn

X

b>a

Z

a

Z

b

| ~

R

a

− ~

R

b

|

(2.3)

En esta expresi´

on, escrita en unidades at´

omicas, el primer t´

ermino representa la energ´ıa cin´

etica

de los electrones, el segundo recoge las interacciones de cada electr´

on con el resto de los n´

ucleos,

el tercer t´

ermino representa la interacci´

on de cada electr´

on con el resto y por ´

ultimo tenemos

la interacciones entre los n´

ucleos del sistema. El problema planteado con el hamiltoniano Ec.

(2.3) de nuevo no es resoluble anal´ıticamente por lo que hay que recurrir a m´

etodos num´

ericos

para su resoluci´

on.

Los m´

etodos num´

ericos que tratan de resolver Ec.(2.1) son variados y dependen del marco

te´

orico usado para describir el problema de forma que se pueda resolver computacionalmente.

Estos m´

etodos se denominan de primeros principios debido a que s´

olo emplean el uso de

cons-tantes fundamentales. Los m´

etodos denominados de funci´

on de onda, como Hartree-Fock, se

basan en aproximar la funci´

on de onda del sistema, realizando el calculo con el hamiltoniano

exacto. Sin embargo, una manera mas eficiente de afrontar el problema es crear m´

etodos que

realizan aproximaciones sobre el hamiltoniano, en vez sobre la funci´

on de onda, que consideran

exacta. El m´

etodo m´

as representativo, dentro de este ´

ultimo grupo, es la Teor´ıa del funcional

de la densidad, conocida como DFT, por sus siglas en ingl´

es. Es el m´

etodo computacional m´

as

usado para la resoluci´

on de la estructura electr´

onica en f´ısica y qu´ımica [7]. La idea fundamental

de la DFT reside en expresar las distintas magnitudes en la Ec.(2.1) como funcionales de la

densidad electr´

onica, es decir, que todas las magnitudes del sistema se pueden expresar como

funciones cuyo argumento sea la densidad electr´

onica Ec.(2.4)

ρ(~

r) =

Z

| Ψ( ~

r

1

, ~

r

2

, . . . , ~

r

N

) |

2

d ~

r

2

. . . ~

r

N

(2.4)

donde Ψ( ~

r

1

, ~

r

2

, . . . , ~

r

N

) es la funci´

on de onda que representa el estado del sistema. La forma de

dicha funci´

on es complicada, dependiendo de las coordenadas espaciales de los N

e

electrones

que conforman el sistema. Como se ver´

a mas adelante, (Sec. 2.2.1), los teoremas de Hohenberg

y Kohn demuestran que la densidad electr´

onica, ρ(~

r), contiene la misma informaci´

on que la

funci´

on de onda, Ψ( ~

r

1

, ~

r

2

, . . . , ~

r

N

).

Las ventajas de desarrollar un marco te´

orico basado en la densidad electr´

onica son las

siguientes:

La densidad electr´

onica es un observable, por lo que se puede realizar una comparaci´

on

directa con datos experimentales.

Es una funci´

on real y solo depende de tres coordenadas espaciales, mientras que la funci´

on

de onda que representa al sistema es una funci´

on compleja y depende de 3N

e

variables

espaciales, lo que hace que su tratamiento no sea sencillo.

Juega un papel similar a la funci´

on de onda, ψ, ya que nos permite conocer el n´

umero de

electrones, N

e

, las posiciones nucleares y las cargas de estas ultimas.

(9)

De forma hist´

orica existen intentos de describir el sistema en t´

erminos de la densidad, la

primera aproximaci´

on de T [ρ] fue realizada en 1928 por Thomas y Fermi considerando un gas

homog´

eneo de electrones, sin embargo result´

o ser una mala aproximaci´

on. Posteriormente Dirac

nadi´

o el funcional relacionado con el intercambio de electrones, pero tampoco se alcanz´

o un

resultado satisfactorio.

La idea de usar la densidad electr´

onica para describir la energ´ıa del sistema se abandon´

o

debido a la mala representaci´

on de la energ´ıa cin´

etica en t´

erminos de la densidad. En 1962

se demostraron dos teoremas que sustentar´

an el posterior desarrollo y aplicaci´

on de la DFT

moderna. El primero de ellos garantiza la existencia de una correspondencia un´ıvoca entre la

densidad electr´

onica y la energ´ıa del sistema. El segundo de ellos es un teorema variacional.

2.2.1.

Teoremas de Hohenberg y Kohn

Teorema 1 En el estado fundamental del sistema, el potencial externo es determinado,

salvo una constante, por la densidad electr´

onica ρ(~

r)

De este primer teorema concluimos que el conocimiento de la densidad electr´

onica nos

permite determinar de forma un´ıvoca el potencial externo y viceversa. Esto nos indica

que la densidad electr´

onica juega el mismo papel que la funci´

on de onda en la ecuaci´

on de

Schr¨

odinger. Sin embargo este teorema no nos ofrece una forma de determinar la densidad

electr´

onica.

La expresi´

on de la energ´ıa, explicitando la dependencia con el potencial, es la siguiente:

E

v

[ρ] = F

HK

[ρ] +

Z

ρ(~

r)v(~

r)d~

r

(2.5)

Donde F

HK

[ρ] es el funcional universal de Hohenberg-Kohn, que es v´

alido para todos los

sistemas ya que es independiente del potencial v(~

r)

Teorema 2 Sea ˜

ρ(~

r) una densidad de un estado fundamental de prueba, tal que ˜

ρ(~

r) ≥ 0

y

R

˜

ρ(~

r)d~

r = N , E

exacta

≤ E

v

[ ˜

ρ], donde E

v

[ρ] es el funcional de la energ´ıa de prueba y

E

exacta

es la energ´ıa exacta obtenida de la resoluci´

on de la ecuaci´

on de Schr¨

odinger para

el estado fundamental

Esto permite desarrollar m´

etodos variacionales para encontrar computacionalmente la densidad

electr´

onica.

2.2.2.

etodo de Kohn-Sham

En el momento en el que se enunciaron los teoremas de Hohenberg-Kohn no se conoc´ıa la

forma de obtener un funcional de la energ´ıa cin´

etica con precisi´

on suficiente como para predecir,

por ejemplo el enlace qu´ımico. En el modelo desarrollado por Thomas y Fermi no se consegu´ıa

una buena aproximaci´

on de la energ´ıa cin´

etica, incluso con las posteriores correcciones realizadas

por Dirac. En 1965 Kohn y Sham (KS) idearon una forma de obtener la contribuci´

on de la

energ´ıa cin´

etica. Recurrieron a un sistema ficticio formado por N

e

electrones no interactuantes

que se mueven en un potencial efectivo, v

efectivo

(~

r), de forma que tenga la misma densidad

y energ´ıa que un sistema real de N

e

electrones. Al tener un sistema de electrones que no

interaccionan, la funci´

on de onda que describe dicho sistema puede ser descrita mediante un

determinante de Slater y la energ´ıa cin´

etica se puede escribir como:

T

S

= −

N

X

i=1

o

i

i

(t)|

1

2

2

i

(t)i

(2.6)

(10)

donde φ

i

son los orbitales del sistema de electrones no interactuantes y o

i

las ocupaciones de

los mismos. El uso de esta expresi´

on arrojar´

a buenos resultados si la energ´ıa cin´

etica exacta,

T [ρ], es muy parecida a la del sistema no interactuante, T

S

.

La energ´ıa del sistema real viene dada por la expresi´

on 2.5 y puede ser reescrita en t´

erminos

de los funcionales del sistema ficticio

E

v

[ρ] = T

s

[ρ] + J [ρ] + E

xc

[ρ] +

Z

ρ(~

r)v(~

r)d~

r

(2.7)

donde J [ρ] es la energ´ıa electrost´

atica cl´

asica debida a la interacci´

on culombiana entre los

electrones, E

xc

[ρ] es el funcional de intercambio y correlaci´

on del sistema y representa todas

las interacciones de los electrones que no se describan de forma cl´

asica, adem´

as de la energ´ıa

cin´

etica de correlaci´

on. Puede expresarse de la siguiente forma

E

xc

[ρ] = T [ρ] − T

s

[ρ] + V

ee

[ρ] − J [ρ]

(2.8)

Este t´

ermino agrupa los funcionales que no tienen una expresi´

on sencilla. La energ´ıa de

intercambio-correlaci´

on incluye la diferencia entre la energ´ıa cin´

etica entre el sistema real y el

ficticio. Esta diferencia se espera que sea peque˜

na, ya que la energ´ıa cin´

etica del sistema ficticio

se describe mediante orbitales de HF, m´

etodo que produce predicciones fiables.

A partir de la energ´ıa de intercambio-correlaci´

on podemos definir el potencial de

intercambio-correlaci´

on, v

xc

(~

r), de la siguiente forma

v

xc

(~

r) =

δE

xc

[ρ]

δρ

(2.9)

de forma que el potencial efectivo en el que se mueven los cuasi-electrones ser´

a

v

efectivo

(~

r) = v(~

r) +

δJ [ρ]

δρ

+

δE

xc

[ρ]

δρ

(2.10)

El sistema real puede ser descrito por un conjunto de N ecuaciones a un electr´

on, similares

a las ecuaciones de Hartree-Fock pero usando un potencial efectivo.

ˆ

h

S

φ

i

=



1

2

2

+ v

ef f



φ

i

= ε

i

φ

i

(2.11)

Las ecuaciones de Kohn-Sham son exactas, ya que no se ha realizado ninguna aproximaci´

on,

sin embargo al no conocer con exactitud el potencial de intercambio-correlaci´

on, la bondad de

los c´

alculos reside en una buena elecci´

on de este potencial.

De los funcionales que contribuyen a la energ´ıa conocemos completamente J [ρ]. La

contri-buci´

on de intercambio y correlaci´

on no se conoce de forma exacta, pero su contribuci´

on a la

energ´ıa total es aproximadamente del 1 %. Sin embargo, la energ´ıa cin´

etica, T [ρ], es el t´

ermino

as problem´

atico ya que se corresponde, aproximadamente, con la mitad de la energ´ıa total y

los funcionales encontrados son m´

as dif´ıciles de modelar.

2.3.

Teor´ıa del funcional de la densidad de segundos

principios

Los m´

etodos de primeros principios, como es la DFT, son eficientes siempre que el n´

umero

de part´ıculas no sea muy grande. En tal caso el c´

alculo del hamiltoniano ˆ

h

S

en la ecuaci´

on

2.11 y su diagonalizaci´

on resulta enormemente costoso. Un posible soluci´

on a este problema

es recurrir a m´

etodos semi-emp´ıricos como el modelo de enlace fuerte, que permite reducir

(11)

el n´

umero de elementos significativos en la matriz ˆ

h

S

, volvi´

endola dispersa (sparce en ingl´

es)

permitiendo nuevas t´

ecnicas de diagonalizaci´

on. Del mismo modo el movimiento de los ´

atomos

alrededor de una posici´

on de equilibrio puede representarse mediante hamiltonianos modelo y

el magnetismo asimilarse a un modelo de Ising.

En esta secci´

on introducimos el m´

etodo denominado de segundos principios, Ref. [5]. Recibe

este nombre porque solo requiere datos obtenidos de simulaciones de primeros principios, por

lo tanto se puede considerar un m´

etodo con plena capacidad predictiva. A continuaci´

on se

describen los puntos mas importantes de la teor´ıa que sustenta al m´

etodo y que se detalla en

Ref. [5].

Asumimos que estamos en condiciones de aplicar la aproximaci´

on de Born-Oppenheimer. En

primer lugar, se elige una configuraci´

on de los n´

ucleos, que servir´

a de referencia para describir

otra configuraci´

on del sistema. Adem´

as, para cada configuraci´

on at´

omica definimos una

den-sidad electr´

onica de referencia, ρ

0

(~

r), para cada una de las posibles configuraciones at´

omicas.

La densidad electr´

onica, ρ

0

(~

r), adem´

as se puede describir en t´

erminos de la configuraci´

on de

referencia de la siguiente forma

ρ (~

r) = ρ

0

(~

r) + δρ (~

r)

(2.12)

En la expresi´

on anterior, δρ (~

r) es la deformaci´

on de la densidad, la cual describe los cambios

en las propiedades del sistema con respecto a la configuraci´

on de referencia. Esta forma de

describir la densidad del sistema permite reescribir la energ´ıa DFT, de manera aproximada,

como la suma de tres t´

erminos mediante la expansi´

on de la energ´ıa DFT (Ec.2.7) en potencias

de δρ

E

DF T

≈ E = E

(0)

+ E

(1)

+ E

(2)

(2.13)

El t´

ermino de orden cero, E

(0)

, corresponde a la energ´ıa exacta DFT para la densidad de

referencia, ρ

0

(~

r). El t´

ermino de primer orden, E

(1)

, recoge la diferencia de la energ´ıa a un

electr´

on entre las configuraciones excitadas y la de referencia y por ´

ultimo, el t´

ermino de

segundo orden contiene la contribuci´

on a dos electrones debida al intercambio y la correlaci´

on

y las interacciones cl´

asicas. La expresi´

on de los t´

erminos descritos es la siguiente

E

(0)

=

X

j~k

o

(0) j~k

D

ψ

(0) j~k

t + v

ˆ

ext

ψ

(0) j~k

E

+

1

2

Z Z

ρ

0

(~

r) ρ

0



~

r

0



|~r − ~

r

0

|

d

3

rd

3

r

0

+ E

xc

0

] + E

nn

(2.14)

E

(1)

=

X

j~k

h

o

j~k

D

ψ

j~k

ˆ

h

0

ψ

j~k

E

− o

(0) j~k

D

ψ

(0) j~k

ˆ

h

0

ψ

(0) j~k

Ei

(2.15)

E

(2)

=

1

2

Z

d

3

r

Z

d

3

r

0

g



~

r, ~

r

0



δρ (~

r) δρ



~

r

0



(2.16)

donde o

j~k

es la ocupaci´

on del estado caracterizado por el vector de onda ~k y el ´ındice de banda

j, mientras que el operador, ˆ

h

0

, es el hamiltoniano de Kohn-Sham para un electr´

on definido

para la configuraci´

on de referencia [5], ˆ

h

0

= ˆ

h

eff

0

] . En el t´

ermino de segundo orden, g



~

r, ~

r

0



es el operador de la interacci´

on electr´

on-electr´

on, su expresi´

on puede verse en la Ref. [5]

En la siguiente secci´

on (Sec.2.4) se detallar´

an las caracter´ısticas de la base elegida y c´

omo

son las expresiones de los t´

erminos de la energ´ıa en la base de funciones de Wannier. Adem´

as, se

detallar´

an las ecuaciones autoconsistentes a resolver, an´

alogas a las ecuaciones de Kohn-Sham,

y se escribir´

a el hamiltoniano efectivo, equivalente al hamiltoniano de Hartree-Fock. [5]

(12)

2.4.

Funciones de Wannier

La formulaci´

on usada en el tratamiento de nuestro problema requiere del c´

alculo de

elemen-tos de matriz del hamiltoniano de Kohn-Sham para un electr´

on. Para dicho c´

alculo hace falta

una base sobre la que trabajar, en este caso se ha optado por una base formada por funciones

de Wannier [12]. Estas funciones se construyen mediante una transformaci´

on unitaria de los

orbitales moleculares y, por lo tanto, son muy eficientes a la hora de describir el sistema ya

que contienen toda la informaci´

on del mismo. Adem´

as, tienen otras ventajas que ayudan a la

simulaci´

on:

Las funciones de Wannier se pueden elegir de forma que sean ortogonales entre s´ı, evitando

el c´

alculo de integrales de solapamiento y, por lo tanto, reduciendo el coste computacional.

Las funciones de Wannier se pueden escoger de forma que, espacialmente, est´

en muy

localizadas sobre los n´

ucleos, decayendo r´

apidamente si nos alejamos de los mismos. Esto

convierte la matriz que representa el hamiltoniano en dispersa y permite la aplicaci´

on de

etodos eficientes de diagonalizaci´

on como Lanczos [6]

La expresi´

on matem´

atica de una funci´

on de Wannier es la siguiente, ver Ref. [12]

a

i =

V

(2π)

3

Z

BZ

d~k e

−i~k ~Ra J

X

m=1

T

ma

(

~k

)

ψ

(0) m~k

E

(2.17)

donde V es el volumen de la celda primitiva, la integral se extiende sobre toda la zona de

Brillouin, el ´ındice m recorre las J bandas, las matrices T

ma

(

~k

)

representan las transformaciones

unitarias entre las funciones de Bloch para un vector de onda, ~k, dado y por ´

ultimo,

ψ

(0) m~k

E

,

representan el conjunto inicial de estados propios del hamiltoniano que definen las bandas.

Veamos como las funciones de Wannier pueden usarse para describir los estados no

estacio-narios. Supongamos que los posibles estados que describen el sistema var´ıan con el tiempo y

se representan, en notaci´

on de dirac, |φ

i

(t)i. De forma que se puede reescribir la expresi´

on 2.4

para la densidad de la siguiente forma

ˆ

ρ(t) =

N

X

i=1

o

i

i

(~

r, t)i hφ

i

(~

r, t)|

(2.18)

donde o

i

representa la ocupaci´

on de los estados φ

i

. Suponemos que el estado sistema en un

instante de tiempo t es:

φ

i

(~

r, t) =

M

X

α=1

c

(~

r, t) χ

α

(~

r, t)

(2.19)

donde χ

α

(~

r, t) es un elemento de la base {χ

i

}

Mi=1

usada para describir los estados del sistema,

dicha base ser´

a un conjunto de funciones de Wannier. Sustituyendo Eq. (2.19) en la expresi´

on

de la densidad, Eq.(2.18), se obtiene

ρ(~

r, t) =

M

X

α=1 M

X

β=1 N

X

i=1

o

i

c

∗iα

c

!

χ

α

(~

r, t)χ

β

(~

r, t) =

M

X

α=1 M

X

β=1

d

αβ

χ

∗α

(~

r, t)χ

β

(~

r, t)

(2.20)

donde d

αβ

representan los elementos de matriz de la matriz densidad en la base {χ

i

}

Mi=1

(13)

El hecho de expresar la matriz densidad en una base de funciones ortogonales, como

pueden ser las funciones de Wanniers, permite escribir el n´

umero de electrones del sistema

de la siguiente forma.

N =

Z

ρ(~

r) d

3

~

r =

M

X

α=1 M

X

β=1

d

αβ

Z

χ

α

χ

β

d

3

~

r =

M

X

α=1 M

X

β=1

d

αβ

δ

αβ

=

X

α

d

αα

= T r(d)

(2.21)

donde T r(d) es la traza de la matriz densidad, esto es la suma de la diagonal de la misma.

La matriz densidad es un observable, por lo tanto se trata de una matriz herm´ıtica

d = d

(2.22)

Como ya se menciono en la secci´

on anterior, una vez conocida la base en la que trabajamos,

estamos en condiciones de escribir las expresiones de las t´

erminos de energ´ıa, 2.15 y 2.16, en

una base de funciones de Wannier.

E

(1)

=

"

X

αβ

d

αβ

α

| ˆ

h

0

β

i −

X

αβ

d

(0)αβ

α

| ˆ

h

0

β

i

#

=

X

αβ

D

αβ

γ

αβ

(2.23)

E

(2)

=

1

2

X

αβ

X

α0β0

D

αβ

D

α0β0

U

αβα0β0

(2.24)

Donde d

(0)αβ

es la matriz de densidad en el estado de referencia, ˆ

h

0

es el hamiltoniano efectivo

en la configuraci´

on de referencia y D

αβ

es la matriz de deformaci´

on. A continuaci´

on escribiremos

las ecuaciones autoconsistentes del m´

etodo de segundos principios, an´

alogas a las de Kohn-Sham

X

b

h

s ab,~k

c

s jb~k

= 

s j~k

c

s ja~k

(2.25)

donde 

s

j~k

es la energ´ıa de la j-´

esima banda con vector de onda ~k para el canal s de spin y el

elemento de matriz del hamiltoniano, h

s

ab,~k

, es [5]

h

sab,~k

=

X

~ RB − ~RA

e

i~k

(

R~B − ~RA

)h

s ab

(2.26)

h

sab

= γ

ab

+

X

a0b0



D

as0b0

+ D

−sa0b0

 U

aba0b0

+

D

−s a0b0

− D

sa0b0

 I

aba0b0



(2.27)

Conociendo un valor de la matriz de deformaci´

on, D

αβ

, podemos calcular el hamiltoniano

efectivo y de la diagonalizaci´

on del hamiltoniano podemos obtener una nueva matriz de

defor-maci´

on, continuando con el proceso hasta llegar a la autoconsistencia [5]. Los par´

ametros γ y

U recogen gran parte de las contribuciones electrost´

aticas, mientras que el par´

ametro I recoge

las contribuciones no cl´

asicas.

2.5.

Propagaci´

on de la matriz densidad

En el apartado anterior se ha visto la importancia de la densidad en el marco de la DFT

y c´

omo ρ est´

a un´ıvocamente determinada por la matriz de densidad. Sin embargo, no se ha

(14)

explicado como evoluciona esta magnitud con el tiempo. Para hacerlo partimos del esquema de

Heisenberg de la mec´

anica cu´

antica

i~

d

dt

ρ(t) = [h(t), ρ(t)]

(2.28)

donde H es el hamiltoniano del sistema y [h(t), ρ(t)] es el conmutador del hamiltoniano con la

matriz densidad. La importancia de esta expresi´

on es vital, ya que a partir del hamiltoniano

efectivo, ˆ

h

eff

, que depende de la densidad, se puede realizar la propagaci´

on de la densidad,

obteniendo un juego cerrado de ecuaciones que nos permiten conocer propiedades del sistema

fuera del equilibrio.

2.6.

Fuerzas

Para el estudio de la din´

amica es necesario conocer las fuerzas a las que se ve sometidas el

sistema para cambiar la geometr´ıa de forma adecuada. El teorema de Hellmann-Feynman [2],

permite encontrar una expresi´

on dentro del esquema de segundos principios. Comencemos por

la expresi´

on matem´

atica del teorema

dE (Q)

dQ

=

 ∂H (Q)

∂Q



(2.29)

Esta teorema supone que la energ´ıa, E (Q), depende de un par´

ametro, que en nuestro caso

ser´

a la distancia internuclear. Por otro lado, supone que el hamiltoniano, H (Q), tiene una

dependencia con el mismo par´

ametro. El valor medio de la Ec.2.29 se puede reescribir, teniendo

en cuenta que los estados del sistema puede expresarse en una base de Wannier (Ec. 2.19)

*

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

+

=

X

n

o

n

n

|

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

n

i

=

X

α

X

β

X

n

o

n

c

∗nα

c

∗ nβ

!

α

|

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

β

i

=

X

α

X

β

d

αβ

α

|

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

β

i

(2.30)

Usando esta expresi´

on y la relaci´

on ~

F

= −

dE

dQ

, estamos en condiciones de reescribir la

expresi´

on 2.29 como sigue

~

F = −

X

α

X

β

d

αβ

α

|

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

β

i

(2.31)

Uno de los pilares del esquema de segundos principios es describir la densidad electr´

onica

de un estado del sistema, ρ (~

r), en t´

erminos de la densidad de una configuraci´

on de referencia,

ρ

0

(~

r) del mismo sistema

ρ (~

r) = ρ

0

(~

r) + δρ (~

r)

(2.32)

Esta expresi´

on tiene su expresi´

on equivalente, si consideramos el operador matricial

(15)

por lo tanto, se puede describir la fuerza, (Ec.2.31), en t´

erminos de la matriz densidad en la

configuraci´

on de referencia, d

0

αβ

, m´

as un t´

ermino de correcci´

on asociado al cambio en la densidad

y que se recoge en la matriz de deformaci´

on, D

αβ

~

F = −

X

α

X

β

d

0αβ

α

|

∂ ˆ

H (Q)

∂Q

β

i −

X

α

X

β

D

αβ

α

|

dH(Q)

dQ

β

i

= ~

F

0

X

α

X

β

D

αβ

α

|

dH(Q)

dQ

β

i

(2.34)

En la expresi´

on anterior, ~

F

0

, representa la fuerza en el sistema que posee la densidad de

referencia. Esta expresi´

on permite conocer la fuerza a la que se ve sometido el sistema en

cualquier configuraci´

on que no sea la de referencia, con tan solo conocer el valor de la matriz

de deformaci´

on, es decir, como es el cambio de la densidad entre ambas configuraciones.

Esta es la idea principal del trabajo. Con el conocimiento de ~

F

0

para el estado fundamental

y el hamiltoniano electr´

onico llevar a cabo simulaciones de la mol´

ecula de H

2

en el estado

(16)

Simulaciones de H

2

a primeros

principios

3.1.

Mol´

ecula de H

2

La mol´

ecula de hidr´

ogeno es el sistema neutro mas sencillo, est´

a formado por dos protones

y dos electrones. Para describir este sistema de una manera sencilla utilizamos el m´

etodo de

Hartree-Fock donde se pueden definir niveles a un electr´

on. En este caso la funci´

on de onda se

escribe como un determinante de Slater [2, 7]

Ψ

HF

(1, 2, . . . , N

e

) =

1

N

e

!

φ

1

(1) φ

2

(1)

φ

1

(2) φ

2

(2)

= |φ

1

, φ

2

|

(3.1)

En la expresi´

on anterior, φ

i

(j) es el i-´

esimo orbital molecular ocupado por el j-´

esimo electr´

on.

Estos orbitales moleculares pueden describirse como combinaciones lineales de orbitales

at´

omicos, facilitando la resoluci´

on de las ecuaciones de Hartree-Fock [2, 7]. Para la mol´

ecula

de hidr´

ogeno, el esquema de los orbitales moleculares formado por la combinaci´

on lineal de

orbitales at´

omicos 1s es el que se muestra en la Fig.(3.1), el nivel designado con la etiqueta

g

es el nivel enlazante, mientras que el nivel 1σ

u

es el nivel antienlazante. Como se puede

observar en la Fig.(3.1) la separaci´

on de los niveles enlazante y antienlazante depende de la

distancia internuclear, cuanto mayor sea el acercamiento mayor sera la diferencia de energ´ıa

entre los orbitales moleculares. El punto de equilibrio de la mol´

ecula se encuentra de forma

experimental, cuando la distancia internuclear es de R = 0,74 ˚

A en ese punto la energ´ıa de

disociaci´

on de la mol´

ecula es de E = 4,52 eV .

La forma en la que se ocupen estos orbitales moleculares dan lugar a distintos estados de

la mol´

ecula, estos se representan en la Fig.(3.4) y expanden tanto el estado fundamental como

los estados excitados de la mol´

ecula. Supongamos que la mol´

ecula se encuentra en el estado

fundamental,

1

Σ

g

, esto es, con los dos electrones ocupando el orbital molecular 1σ

g

. En dicho

estado, los electrones se acomodan de forma que la probabilidad de encontrarlos en la zona

internuclear aumente Fig.(3.2), permitiendo al sistema mantenerse en un estado de equilibrio.

Adem´

as, en esta configuraci´

on la mol´

ecula de hidr´

ogeno se encuentra en un estado singlete de

spin. Se puede comprobar aplicando los operadores ˆ

S

2

y

S a la funci´

on Hartree-Fock de este

estado.

Ahora, si colocamos los dos electrones en el nivel antienlazante estaremos en un estado

1

Σ

g

,

que es tambi´

en de tipo singlete de spin. La ocupaci´

on de este orbital molecular implica que

las densidades electr´

onicas se localicen sobre los n´

ucleos, dejando la zona internuclear libre de

carga, Fig.(3.3), por lo tanto este estado conduce a una situaci´

on inestable que desemboca en

la disociaci´

on de la mol´

ecula.

(17)

Figura 3.1: Se representa la curva de energ´ıa en funci´

on de la distancia internuclear. Como

se puede observar en los esquemas de niveles, cuando la distancia internuclear es grande los

orbitales moleculares tienen car´

acter pseudoat´

omico, de forma que los electrones se alojan en

cada uno de ellos. Sin embargo, cuando la distancia va reduci´

endose los orbitales pierden su

car´

acter at´

omico y son orbitales moleculares completos, aloj´

andose los electrones en el nivel

enlazante, cuya energ´ıa esta por debajo de los orbitales at´

omicos originales.

Figura 3.2: Funci´

on de onda del orbital molecular enlazante, formada por la combinaci´

on de

orbitales 1s.

Figura 3.3: Descripci´

on de los orbitales moleculares de la mol´

ecula de hidr´

ogeno, construidos a

partir de orbitales at´

omicos 1s

Si ahora suponemos que tenemos un electr´

on en cada uno de los niveles tendremos dos

posibles estados:

1

Σ

(18)

a un estado singlete de spin y como se puede ver en Fig.(3.4) cuando se realizan detallados

alculos de primeros principios posee un peque˜

no m´ınimo de forma que estamos ante un estado

estable. El segundo estado se corresponde con un triplete de spin, es inestable y acaba con la

disociaci´

on de la mol´

ecula.

Figura 3.4: Descripci´

on de los diferentes estados de la mol´

ecula de hidr´

ogeno para un esquema

de dos orbitales moleculares. A la derecha se puede observar como es la configuraci´

on de los

electrones en los orbitales moleculares para cada estado excitado de la mol´

ecula. [2]

3.2.

alculos de primeros principios

Los c´

alculos de primeros principios se han realizado con el c´

odigo VASP [9–11] usando una

aproximaci´

on GGA para el funcional de intercambio y correlaci´

on [13]. Las dos configuraciones

resueltas son: RHF y UHF, por sus siglas en ingl´

es. La configuraci´

on RHF, Fig.(3.5 b), aloja

los dos electrones en el mismo orbital espacial de forma que incluso, cuando los ´

atomos est´

en

separados, los electrones con spin arriba y abajo tienen la misma parte espacial. Sin embargo, la

configuraci´

on UHF, Fig.(3.5 a), considera orbitales espaciales distintos para cada componente

de spin.

Figura 3.5: Esquema de la configuraci´

on UHF, a la izquierda, donde cada canal de spin, arriba

y abajo denotados, respectivamente, con la letra α y β , tiene orbitales espaciales distintos,

mientras que en la configuraci´

on RHF, a la derecha, para cada spin el orbital espacial es el

mismo.

Como se ha descrito en la secci´

on anterior, la energ´ıa de disociaci´

on experimental de la

mol´

ecula es de E = 4.52 eV [2]. La configuraci´

on RHF (E = 6.51 eV ), Fig.(3.6), no reproduce

(19)

de forma adecuada los datos experimentales, mientras que la configuraci´

on UHF (E = 4.53 eV )

reproduce los datos experimentales de forma satisfactoria.

En la configuraci´

on RHF los electrones est´

an obligados a compartir el mismo orbital

es-pacial [7], de forma que, incluso a grandes distancias, los electrones se encuentran apareados.

Esto significa que cuando se observa las contribuciones intraat´

omicas los electrones no pueden

aprovechar de forma efectiva el intercambio y observan una repulsi´

on electr´

on-electr´

on mas alta

que cuando se permite el desapareamiento de los espines. Esta contribuci´

on extra puede

obser-varse al comparar los elementos diagonales del hamiltoniano en RHF y UHF. Las ocupaciones

de estos orbitales vienen representados por los elementos de la diagonal de la matriz densidad

Fig.(3.14). Por otro lado, los elementos fuera de la diagonal, que representan la contribuci´

on al

enlace debido a la interferencias de las funciones pseudoat´

omicas, es decir, representan la

con-tribuci´

on covalente del enlace. Al considerar orbitales UHF proporcionamos a los electrones un

grado de libertad adicional, a que electrones se alojan en orbitales espaciales distintos

atendien-do a su spin, de esta forma los electrones se evitan bajanatendien-do su repulsi´

on mutua intraat´

omica,

como puede verse en la Fig.(3.16) [7].

Figura 3.6: Curva de energ´ıa de la mol´

ecula de hidr´

ogeno en funci´

on de la distancia internuclear

para la configuraci´

on UHF

En las Fig.(3.8) y Fig.(3.9) se representan la energ´ıa de los orbitales moleculares de las

configuraciones RHF y UHF respectivamente.

En un c´

alculo inicial, solo se consider´

o cuatro orbitales moleculares. Sin embargo, se observ´

o

la necesidad de incluir un mayor n´

umero de niveles, ya que en cuando se intent´

o obtener el

modelo usual a 2 orbitales no se puedo encontrar el comportamiento esperado. Una vez repetido

el c´

alculo, en este caso considerando 40 orbitales moleculares, se observa un gran conjunto de

orbitales, a energ´ıas  > 0, cuya energ´ıa es independiente de la distancia internuclear, (Fig.(3.8)

, Fig.(3.9)), estos orbitales representan estados libre de electrones en la mol´

ecula. Tambi´

en

puede observarse dos orbitales moleculares, cuya energ´ıa depende de la distancia entre los

ucleos denominados orbital enlazante (curva roja) y antienlazante (curva verde).

A grandes distancias, en el caso RHF, (Fig.3.8), estos dos orbitales acaban degenerados,

mientras que, en el caso UHF, (Fig.(3.9), estos orbitales se diferencian claramente. A cortas

(20)

Figura 3.7: Curva de energ´ıa de la mol´

ecula de hidr´

ogeno en funci´

on de la distancia internuclear

para la configuraci´

on RHF

Figura 3.8: Representaci´

on de la variaci´

on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´

on

de la distancia internuclear.

distancias el comportamiento del orbital enlazante y antienlazante en RHF es igual al de sus

hom´

ologos en la configuraci´

on UHF. En ambas configuraciones se puede observar que el orbital

antienlazante sufre m´

ultiples cruces con los orbitales que conforman el continuo. Por este motivo

las energ´ıas de estos orbitales crecen levemente, porque el car´

acter del orbital antienlazante se

(21)

Figura 3.9: Representaci´

on de la variaci´

on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´

on

de la distancia internuclear para la configuraci´

on UHF.

mezcla con el de los orbitales del continuo.

3.3.

Transformaci´

on a una base de funciones de Wannier

Para comprender el comportamiento de las bandas se proceder´

a a realizar una

transforma-ci´

on a orbitales localizados de Wannier que permiten recuperar la imagen de la combinaci´

on

lineal de orbitales at´

omicos. En la Secci´

on 2.4 se describi´

o como las funciones de Wannier son

´

utiles como base para describir nuestro problema, en las Fig.(3.10), Fig.(3.11), Fig.(3.12) se

representan, respectivamente, el hamiltoniano para la configuraci´

on RHF y UHF, para ambos

canales de spin, en una base de funciones de Wannier.

Los elementos del hamiltoniano se han obtenido de primeros principios. El c´

alculo se ha

realizado para un intervalo de distancias de R = 0.3 ˚

A hasta R = 4.5 ˚

A. Sin embargo, se ha

prescindido de los puntos por debajo de la distancia de equilibrio, R

eq

= 0.74 ˚

A, ya que el

alculo no es fiable debido a la multitud de cruces de los orbitales del continuo con el orbital

antienlazante. Adem´

as, a esas distancias la energ´ıa de la mol´

ecula es muy superior a la del

m´ınimo y eso hace que la mol´

ecula no visite estas configuraciones (Fig.(3.7)).

En la configuraci´

on RHF, Fig.(3.10), se puede observar como los elementos de la diagonal,

que representan las energ´ıas de las funciones localizadas, crecen a distancias cortas, cuando

las interacciones electrost´

aticas entre las funciones localizadas son mayores. Por otro lado, los

elementos fuera de la diagonal, que representan el acoplamiento de las funciones pseudoat´

omicas

y que controlan su mezcla en el orbital molecular, y por tanto representan el enlace, van

disminuyendo a medida que la distancia internuclear crece. Sin embargo, a cortas distancias el

acople entre las funciones pseudoat´

omicas es importante, ya que el enlace es estable.

En la configuraci´

on UHF, Fig.(3.12) y Fig.(3.11), se puede observar como el acoplamiento

entre las funciones localizadas es similar al de la configuraci´

on RHF hasta R ' 1.5 ˚

A. En

este intervalo existe un fuerte acoplamiento, mientras que a grandes distancias, el acoplamiento

(22)

Figura 3.10: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

configura-ci´

on RHF en funci´

on de la distancia internuclear. Los marcas representan los valores obtenidos

de los c´

alculos de primeros principios, a partir de estos se ha procedido a realizar una

in-terpolaci´

on mediante spline c´

ubicos, que nos permiten ver la tendencia de los elementos del

hamiltoniano a cortas distancias.

(h

12

,h

21

) se anula, dejando de existir el enlace. A distancias intermedias y largas podemos

observar una transici´

on de un comportamiento diamagn´

etico a uno antiferromagn´

etico. Esto se

puede observar en UHF debido a que permitimos el desacoplamiento de los 2 canales de spin.

Adem´

as desde una imagen f´ısica lo que se observa es una competici´

on entre el magnetismo

intra-at´

omico que favorece la aparici´

on de un momento magn´

etico localizado en cada uno de

los ´

atomos de hidr´

ogeno y la fuerza del enlace favorece el apareamiento de los espines en el

orbital enlazante.

De la diagonalizaci´

on del hamiltoniano se puede hallar la matriz densidad para cada una de

la configuraciones, de acuerdo con la Ec.(2.20). Para la configuraci´

on de referencia, Fig.(3.14),

se observa que los elementos de la matriz densidad son constantes con la distancia internuclear.

Los elementos de la diagonal representan la ocupaci´

on de cada una de las Wannier, mientras

que los elementos fuera de la diagonal representan la interferencia de las Wannier, que refuerzan

el enlace. Por otro lado, en las Fig.(3.12) y Fig.(3.11) tenemos las matrices densidad para cada

canal de spin en la configuraci´

on UHF. En esta configuraci´

on la matriz densidad se mantiene

constante cuando la distancia internuclear es peque˜

na, de forma que tenemos las Wannier

parcialmente ocupadas con cargas de spin opuesto. Cuando la distancia internuclear crece, las

Wannier comienzan a poblarse ´

unicamente con carga del mismo spin, de forma que a grandes

distancias las funciones localizadas albergan carga de un ´

unico spin, es decir alojan un solo

electr´

on. En ambos canales, el t´

ermino de interferencia responsable de reforzar el enlace, va

disminuyendo conforme aumenta la distancia entre los n´

ucleos, hasta llegar a la disociaci´

on

neutra.

Una vez determinada la energ´ıa y el hamiltoniano para ambas configuraciones del sistema,

se puede comprobar la validez de la expresi´

on de la fuerza, Ec.(2.34). Como se puede ver en

la Fig.(3.17) a cortas distancias la fuerza en ambos esquemas (RHF y UHF) es la misma, ya

(23)

Figura 3.11: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

configu-raci´

on UHF en funci´

on de la distancia internuclear, para el canal de spin “up”. Los marcas

representan los valores obtenidos de los c´

alculos de primeros principios, a partir de estos se

ha procedido a realizar una interpolaci´

on mediante spline c´

ubicos, que nos permiten ver la

tendencia de los elementos del hamiltoniano a cortas distancias.

que c´

omo se ha descrito, ambas configuraciones son equivalentes en ese r´

egimen. Sin embargo,

a mediada que la distancia internuclear crece, se puede ver como la fuerza en ambas

configu-raciones cambia. En virtud de lo expuesto en la secci´

on Sec.2.6 la diferencia de la fuerza entre

dos estados del sistema se recoge en el t´

ermino de la deformaci´

on de la densidad y como se

puede ver en la Fig.3.17, a partir de la configuraci´

on de referencia, y conociendo como cambia

la densidad entre ambos esquemas, se reproduce correctamente la fuerza UHF.

(24)

Figura 3.12: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

configura-ci´

on UHF en funci´

on de la distancia internuclear, para el canal “down”. Los marcas representan

los valores obtenidos de los c´

alculos de primeros principios, a partir de estos se ha procedido

a realizar una interpolaci´

on mediante spline c´

ubicos, que nos permiten ver la tendencia de los

elementos del hamiltoniano a cortas distancias.

Figura 3.13: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

configu-raci´

on RHF en funci´

on de la distancia internuclear. La matriz densidad permanece constante

con la distancia, manteni´

endose ambas Wannier ocupadas.

(25)

Figura 3.14: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

confi-guraci´

on UHF en funci´

on de la distancia internuclear. A cortas distancia la matriz densidad

permanece constante, con las Wannier parcialmente ocupadas. Cuando la distancia crece, una

de las Wannier se va poblando, a costa de la despoblaci´

on de la otra.

Figura 3.15: Representaci´

on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la

configu-raci´

on UHF en funci´

on de la distancia internuclear. A cortas distancias la matriz densidad

permanece constante, con las Wannier ocupadas parcialmente, al igual que en caso del canal

“down” de spin. Cuando la distancia crece, la Wannier que se despueble en el caso “down” se

puebla, por carga del canal “up”.

(26)

Figura 3.16: Representaci´

on de la fuerza en cada uno de los configuraciones del sistema. Estas

curvas se obtienen de la expresi´

on que relaciona la fuerza con el potencial. Mientras que las

correcciones se han calculado de acuerdo al segundo t´

ermino de la Ec.(2.34).

(27)

Simulaciones de H

2

a segundos

principios

4.1.

Introducci´

on

El objetivo de este cap´ıtulo es detallar los aspectos t´

ecnicos del c´

odigo de segundos

princi-pios, que tiene tres prop´

ositos, concretamente la realizaci´

on del c´

alculo de la evoluci´

on temporal

de la matriz densidad, que viene descrita por la siguiente expresi´

on

i~

d

dt

ρ(t) = [H(t), ρ(t)]

(4.1)

en segundo lugar, el c´

alculo del dipolo el´

ectrico

~

p (t) =

Z

ρ (~

r, t) ~

r d

3

r

(4.2)

que nos permitir´

a observar como responde el sistema a la aplicaci´

on de un pulso de un campo

el´

ectrico y como se alcanzan estados excitados de la mol´

ecula y por ´

ultimo, se implementa la

integraci´

on de Verlet [14] para la resoluci´

on de la ecuaci´

on del movimiento de Newton, con el

fin de obtener la din´

amica del sistema.

4.2.

Construcci´

on del c´

odigo

El c´

odigo, recogido en el ap´

endice C, se ha implementado en Python (que se ha aprendido

para la ocasi´

on). En lo que sigue se describen los aspectos t´

ecnicos relacionados con los m´

etodos

num´

ericos implementados.

Para la resoluci´

on de la evoluci´

on de la matriz densidad 4.1 se han implementado varios

etodos con el fin de elegir aquel que tuviese menor error num´

erico. El m´

etodo elegido

aplica el operador de evoluci´

on temporal, que transforma el estado del sistema en el

instante t

0

en un estado en el instante de tiempo t. Esta transformaci´

on se realiza de la

siguiente forma

i

(t)i = U (t, t

0

) |φ

i

(t

0

)i

(4.3)

donde U (t, t

0

) es el operador unitario, denominado operador de evoluci´

on temporal que

asumiendo que el hamiltoniano es constante durante el tiempo de evoluci´

on es, en unidades

at´

omicas, [4]

U (t, t

0

) = e

−ih(t−t0)

(4.4)

(28)

Esta forma de describir los estados, permite reescribir la definici´

on de la densidad, Ec.2.18,

como sigue

ρ(t) = U (t, t

0

)

N

X

i=1

o

i

i

(t

0

)i hφ

i

(t

0

)|

!

U

(t, t

0

)

(4.5)

ρ(t) = U (t, t

0

) ρ(t

0

) U

(t, t

0

)

(4.6)

donde ρ (t

0

) es el valor inicial de la matriz densidad, obtenido de un c´

alculo estacionario

de primeros principios. El c´

alculo del operador de evoluci´

on temporal se realiza mediante

el desarrollo en serie de la exponencial con cuatro t´

erminos. La expresi´

on 4.6 es la

imple-mentada en el c´

odigo (Ap´

endice C). El paso temporal elegido es h = 0.01 f s , mientras

que la evoluci´

on se realiza hasta los 10 f s.

Los otros m´

etodos implementados han sido Runge-Kutta 4 y el esquema de diferencias

finitas [3, 8]. La comparativa de estos tres m´

etodos para la resoluci´

on de la evoluci´

on

temporal se presentan en la Fig.4.1.

Figura 4.1: Representaci´

on de la evoluci´

on de los elementos de la matriz densidad, utilizando los

tres m´

etodos nombrados. La matriz densidad inicial usada para la prueba, ha sido la identidad.

Se puede observar como los elementos de la diagonal oscilan. Se puede observar como estas

oscilaciones crecen con el calculo por diferencias finitas, mientras que el uso de los otros dos

etodos no conllevan este error.

Como ya se ha mencionado para comprender como el sistema responde a la aplicaci´

on

de un campo el´

ectrico calculamos el momento dipolar, 4.2. Como estamos desarrollando

un esquema basado en el uso de la densidad electr´

onica, escribimos esta magnitud en

erminos del operador que representa a la densidad, la matriz densidad

~

p (t) =

Z

ρ (~

r) ~

r d

3

~

r =

Z

X

αβ

d

αβ

χ

α

χ

β

~

r d

3

~

r =

X

αβ

d

αβ

~

r

αβ

(4.7)

(29)

En la expresi´

on anterior, d

αβ

, representa los elementos de de la matriz densidad, que se han

obtenido a partir de la evoluci´

on de un estado del sistema, caracterizado por un densidad

inicial, ρ

0

. Las distancias ~

r

αβ

representa los centroides de las funciones de Wannier y los

elementos dipolos el´

ectricos entre ellas, esta magnitud se obtiene del c´

alculo de primeros

principios realizado con VASP.

La expresi´

on obtenida es dependiente del tiempo. Para calcular el espectro ´

optico de

absorci´

on se ha procedido al c´

alculo de esta magnitud en el espacio de frecuencias mediante

una transformaci´

on real de fourier.

El estudio de la din´

amica de un sistema pasa por la integraci´

on de la ecuaci´

on del

movi-miento de Newton, que es una ecuaci´

on diferencial de segundo orden

¨

~

x (t) =

~

F [~

x (t)]

M

(4.8)

Donde M es la masa del sistema y ~

F es la fuerza a la que se ve sometida el sistema. Para

la resoluci´

on de 4.8 se recurre al algoritmo de Verlet, en su versi´

on sin velocidades [14].

• El algoritmo de Verlet tiene un error de orden cuarto, O (h

4

), con el paso de tiempo,

h, elegido. En este caso se ha optado por un paso temporal de h =0.01 f s.

• No se precisa del c´

alculo de las velocidades para hallar las posiciones con el tiempo.

El c´

alculo de las mismas puede realizarse una vez se han integrado las ecuaciones y

obtenido las posiciones, ~

x

n

, mediante la siguiente expresi´

on iterativa

¨

~

x

n+1

(t) = 2~

x

n

(t) − ~

x

n−1

(t) +

~ F [~xn(t)] M

h

2

~

x

0

(t)

~

x

1

(t) = ~

x

0

(t) + ~

v

0

(t) h +

~ F [~xn(t)] M

h

2

(4.9)

donde el ´ındice comienza en n

=

1. La posici´

on inicial, ~

x

0

(t) es la distancia

internuclear del sistema, mientras que en la primera iteraci´

on, ~

x

1

(t), requiere de

la velocidad inicial. Si consideramos que sistema est´

a a cierta temperatura, y se

encuentra en alg´

un nivel vibracional, se tomar´

a la velocidad correspondiente, en

caso de que nos encontremos en el estado de equilibrio la velocidad se tomar´

a nula.

Una vez integrada la ecuaci´

on diferencial se dibujan los valores obtenidos en funci´

on

del tiempo.

Figure

Figura 3.1: Se representa la curva de energ´ıa en funci´ on de la distancia internuclear

Figura 3.1:

Se representa la curva de energ´ıa en funci´ on de la distancia internuclear p.17
Figura 3.2: Funci´ on de onda del orbital molecular enlazante, formada por la combinaci´ on de orbitales 1s.

Figura 3.2:

Funci´ on de onda del orbital molecular enlazante, formada por la combinaci´ on de orbitales 1s. p.17
Figura 3.3: Descripci´ on de los orbitales moleculares de la mol´ ecula de hidr´ ogeno, construidos a partir de orbitales at´ omicos 1s

Figura 3.3:

Descripci´ on de los orbitales moleculares de la mol´ ecula de hidr´ ogeno, construidos a partir de orbitales at´ omicos 1s p.17
Figura 3.5: Esquema de la configuraci´ on UHF, a la izquierda, donde cada canal de spin, arriba y abajo denotados, respectivamente, con la letra α y β , tiene orbitales espaciales distintos, mientras que en la configuraci´ on RHF, a la derecha, para cada s

Figura 3.5:

Esquema de la configuraci´ on UHF, a la izquierda, donde cada canal de spin, arriba y abajo denotados, respectivamente, con la letra α y β , tiene orbitales espaciales distintos, mientras que en la configuraci´ on RHF, a la derecha, para cada s p.18
Figura 3.4: Descripci´ on de los diferentes estados de la mol´ ecula de hidr´ ogeno para un esquema de dos orbitales moleculares

Figura 3.4:

Descripci´ on de los diferentes estados de la mol´ ecula de hidr´ ogeno para un esquema de dos orbitales moleculares p.18
Figura 3.6: Curva de energ´ıa de la mol´ ecula de hidr´ ogeno en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on UHF

Figura 3.6:

Curva de energ´ıa de la mol´ ecula de hidr´ ogeno en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on UHF p.19
Figura 3.8: Representaci´ on de la variaci´ on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´ on de la distancia internuclear.

Figura 3.8:

Representaci´ on de la variaci´ on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´ on de la distancia internuclear. p.20
Figura 3.7: Curva de energ´ıa de la mol´ ecula de hidr´ ogeno en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on RHF

Figura 3.7:

Curva de energ´ıa de la mol´ ecula de hidr´ ogeno en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on RHF p.20
Figura 3.9: Representaci´ on de la variaci´ on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on UHF.

Figura 3.9:

Representaci´ on de la variaci´ on de la energ´ıa de los orbitales moleculares en funci´ on de la distancia internuclear para la configuraci´ on UHF. p.21
Figura 3.10: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configura- configura-ci´ on RHF en funci´ on de la distancia internuclear

Figura 3.10:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configura- configura-ci´ on RHF en funci´ on de la distancia internuclear p.22
Figura 3.11: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear, para el canal de spin “up”

Figura 3.11:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear, para el canal de spin “up” p.23
Figura 3.12: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configura- configura-ci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear, para el canal “down”

Figura 3.12:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configura- configura-ci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear, para el canal “down” p.24
Figura 3.13: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on RHF en funci´ on de la distancia internuclear

Figura 3.13:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on RHF en funci´ on de la distancia internuclear p.24
Figura 3.15: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear

Figura 3.15:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la configu- configu-raci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear p.25
Figura 3.14: Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la confi- confi-guraci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear

Figura 3.14:

Representaci´ on de los valores de los elementos del hamiltoniano para la confi- confi-guraci´ on UHF en funci´ on de la distancia internuclear p.25
Figura 3.16: Representaci´ on de la fuerza en cada uno de los configuraciones del sistema

Figura 3.16:

Representaci´ on de la fuerza en cada uno de los configuraciones del sistema p.26
Figura 4.1: Representaci´ on de la evoluci´ on de los elementos de la matriz densidad, utilizando los tres m´ etodos nombrados

Figura 4.1:

Representaci´ on de la evoluci´ on de los elementos de la matriz densidad, utilizando los tres m´ etodos nombrados p.28

Referencias

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