(厦门大学化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,福建省理论与计算化学重点实验室,福建 厦门 361005)
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,Fujian Provincial Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen university,Xiamen 361005,China)
non-Markovian stochastic Schrö;dinger equation; reciprocal space; hot exciton energy relaxation; carrier transportdoi:10.6043/j.issn.0438-0479.202006006
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.202005025
备注
近年来,越来越多的实验结果表明量子效应在各类光电材料超快动力学过程中有着非常重要的作用,对这些现象的理论研究促进了许多量子动力学方法的快速发展.和量子主方程相比,非马尔可夫随机薛定谔方程(non-Markovian stochastic Schrödinger equation,NMSSE)通过演化希尔伯特空间中的随机波函数求解动力学,其计算成本与系统大小之间具有良好的标度关系,适合进行高效的并行计算,因而在大尺度系统中受到广泛应用.本文主要介绍近年来本课题组针对大尺度开放量子系统所发展的微扰形式的NMSSE方法,从影响泛函框架出发回顾了微扰形式NMSSE的理论基础,讨论了其在不同表象下的形式和优缺点,并以有机体系中激子能量弛豫过程的模拟及载流子迁移率的计算为例阐述其应用.
In recent years,an increasing number of experiments have confirmed the crucial role played by quantum effects in the ultrafast dynamics of various optoelectronic materials,and theoretical research on these phenomena has boosted the rapid development of numerous quantum dynamics methods.Compared with quantum master equations,non-Markovian stochastic Schrödinger equations(NMSSEs)solve the dynamics with evolving stochastic wavefunctions in Hilbert space,and have been generally applied to large-scale systems due to their favorable scaling property with respect to the system size and the suitability of highly efficient parallel computing.Thispaper mainly focuses on perturbative NMSSEs developed for large-scale open quantum systems in recent years.The theoretical foundation of perturbative NMSSEs is revisited within the influence functional framework,and concrete expressions of perturbative NMSSEs as well as their merit and demerit in different representations,are discussed.To expound their applications,the simulation of the hot exciton energy relaxation process and the calculation of carrier mobilities in organic systems are presented as examples.
引言
在天然光合作用天线复合物、有机光伏器件、人造光捕获系统、DNA等与光密切相关的体系中,热激子能量弛豫和电荷相干量子输运等超快动力学过程至关重要[1-2].然而,由于真实体系的微观结构十分复杂,大量自由度之间相互耦合,阐明这些基本过程背后的机理面临诸多困难,如何准确模拟复杂开放量子系统的动力学过程至今仍是一个热点问题.
从理论角度而言,由于这些体系中通常只有小部分自由度与可测量性质直接相关,因此一个比较明智的策略是只关注这些自由度,将它们看作所研究的系统,而将剩余的大量自由度如电子自旋、分子振动等视为环境(或热库).这样简化之后,所关注的开放系统的动力学过程通常是非马尔可夫的,即从系统流向环境的信息可以重新反馈给系统,系统的动力学过程与其演化历史密切相关[3-5].从这个角度出发,在过去二三十年里人们发展了一系列数值严格的量子动力学方法,如迭代的准绝热路径积分[6-8]、级联运动方程[9-13]、随机刘维尔-冯诺依曼方程[14-16]、采用正交多项式算法的含时密度矩阵[17-18]等,并成功揭示了非马尔可夫效应在量子生物学、量子信息处理等领域起到的积极作用[19].尽管这些理论方法都有各自的局限性,但是不同方法的适用参数范围几乎可以互补,这一点极大地促进了复杂量子体系的理论研究.
然而,由于计算资源的限制,这些数值严格的方法目前只适用于小尺度系统(如只包含十几个电子态的系统),难以用于纳米尺度的真实材料的研究.为了突破这个限制,在保证准确性的前提下引入了合理近似以减小计算成本,一个典型的例子是不同形式的量子主方程方法[20-22].形式严格的量子主方程可以利用投影算符法[23-26]或场理论方法[27-28]得到,但方程中的记忆核表达式复杂,难以直接求解.然而,以这个方程为出发点,经过系统的近似便可得到适用于不同参数范围的运动方程.例如,在弱系统-热库相互作用区域内,将上述方程基于系统-热库相互作用进行微扰展开并截断,便可得到二阶或四阶(时间上卷积或无卷积形式的)量子主方程[21,26,29],前者进一步作马尔可夫近似便可还原成著名的Bloch-Redfield方程[30-31].当系统-热库相互作用不弱时,一种可行的方法是先采用极化子变换[32-35]或其变分形式[36-40]使系统-热库相互作用变弱,再进行微扰展开以得到更精确的量子主方程.
尽管量子主方程方法在不同领域有着广泛的应用,但由于需对系统的约化密度矩阵进行演化,使计算成本往往随着系统尺度的增加而快速增加(例如,二阶时间无卷积量子主方程的计算量与系统尺度的三次方成正比),因此仍然部分受制于开放系统的大小.与之相对的,非马尔可夫随机薛定谔方程(non-Markovian stochastic Schrödinger equation,NMSSE)演化的是希尔伯特空间内的波函数,其计算成本与系统尺度通常具有更好的标度关系,因而对大尺度体系的模拟更具优势.有关随机薛定谔方程的研究最早开始于几十年前,包括量子跳跃轨迹[41-42]及马尔可夫量子态扩散方法[43-45].最先突破马尔可夫近似的是Strunz、Diosi及其合作者[46-50],他们从相干态表象出发建立了零温下的非马尔可夫量子态扩散(non-Markovian quantum state diffusion, NMQSD)方法,随后通过热场理论将其拓展至有限温度.在NMQSD的严格形式中,存在一个泛函求导项,该项的具体表达式只在几类特定情况下已知.对于更一般的情况,NMQSD往往需要对系统-热库相互作用或热库关联时间作微扰近似以便进行数值求解[51-52].与此同时, Gaspard等[53-54]利用投影算符法推导了另一种有限温度下的NMSSE,该方法被证明和NMQSD在二阶微扰截断下等价.值得一提的是,Link等[55]从随机Feshbach投影法的角度出发推导了NMQSD的一种不含泛函求导项的新形式,但该方程中出现的核算符同样难以得到具体表达式.最近几年,受到混合的确定-随机方法的启发,Suess等[56]将级联展开技术应用于NMQSD,发展了数值严格且易于求解的级联纯态方法(hierarchy of pure states, HOPS),从而解决了泛函求导项带来的困难.此外,当系统的初始态为纯态时,随机刘维尔-冯诺依曼方程也可以自然地拆分为不含泛函求导项的随机薛定谔方程[14,57],这样得到的方程在数值计算中会遇到长时间演化不容易收敛的问题.
近年来,在相干态表象下或路径积分框架内,本课题组也先后提出了包括含时波包扩散方法在内的几种有限温度下微扰形式的NMSSE[58-59],以及一种新的级联形式的NMSSE[60].此外,Song等[61]利用相同的思路在几乎同一时间提出了含时波包扩散方法的级联形式.这些方法的共同特点是将系统-热库相互作用中大部分或全部温度效应包含在随机场中,而后对与温度弱相关或完全无关的剩余部分进行微扰近似或级联展开.这样的策略使得微扰近似即使在高温下也能成立,或级联展开在数值计算上也可以很稳定.值得一提的是,最近Hartmann等[62]对HOPS方法进行了改进,不再通过热场理论而是以随机厄米贡献的形式将温度效应包含于系统哈密顿量中,从而大大改善HOPS在有限温度下的随机收敛性和稳定性,这一思路与前述几种方法非常类似.
在很多情况下由于系统-热库相互作用具有空间局域性,上述几种NMSSE及其应用通常都是建立在实空间表象下.然而,对于存在平移对称性的体系来说,在例易(k)空间下处理问题会更方便,一个典型的例子是用于研究载流子输运过程的Holstein-Peierls模型[63-69].该模型同时包含了局域与非局域的电子-声子耦合(电声耦合),这些相互作用在实空间下不再是局域的,但是由于其具有平移对称性因而可以在k空间下很好地通过晶格动量描述.为了便于研究这类问题,最近我们将在课题组发展的微扰形式NMSSE拓展到了k空间表象[70].对于具有周期性的有机或无机晶体,该方法可以与电子结构理论计算有效结合,将从头算得到的电子能带结构、声子谱和电声耦合矩阵直接作为动力学计算的输入参数,对实际应用十分友好.此外,我们还发现,由于哈密顿量满足晶格动量守恒,电声耦合矩阵在k空间下是稀疏矩阵,极大地减少了求解NMSSE过程中进行矩阵乘法的计算成本,进一步拓宽了NMSSE可处理的系统尺度.
本文主要介绍近年来人们、尤其是本课题组针对大尺度开放量子系统发展的微扰形式NMSSE方法,包括NMSSE的理论推导、不同表象下的形式和优缺点以及一些实际应用.
1 理论方法概述
考虑如下形式的开放量子系统的总哈密顿量(为了方便,以下假设=kB=1)
H=HS+HB+HI,(1)
其中,HS表示所研究的系统(通常代表电子自由度)的哈密顿量,HB表示与之相耦合的玻色子(声子)热库的哈密顿量,HI表示系统与热库之间的相互作用哈密顿量.不失一般性,假设HB可表示成一系列简正模的哈密顿量的和
HB=∑μωμ(bμbμ+1/2),(2)
其中,bμ和bμ分别是第μ个简正模的产生和湮灭算符,ωμ是其对应的振动频率.考虑线性形式的系统-热库相互作用
HI=∑μ(fμbμ+f μbμ),(3)
其中fμ是系统的算符,它决定了第μ个简正模与系统之间的耦合模式及其强度.通常情况下,上述哈密顿量包含了大量自由度,这使得求解动力学过程变得很困难.对此,较为常见的一个思路是只关注系统的动力学细节,对次要的振动自由度进行求迹操作,通过推导得到包含了系统-热库相互作用影响的系统约化密度矩阵的演化方程.假设在初始时刻总的密度矩阵可以表示成直积形式,即ρ(0)=ρS(0)ρB(0),其中ρS(0)为初始时刻系统的约化密度矩阵,ρB(0)=e-β HB/tr{e-β HB},β=1/T,T是热库温度.那么在t时刻,系统的约化密度矩阵可表示为ρS(t)=trB{e-iH tρ(0)eiH t}(trB表示对热库的自由度求迹),其形式表达式如下
ρS(t)=U0(t)T+[F(t)ρS(0)]U0(-t),(4)
其中:U0(t)≡e-iHSt; T+是自动编时算符; F(t)是相互作用表象下的Feynman-Vernon影响泛函[70-72]
F(t)=e-∫t0∫τ0∑μΦμ(τ,τ')dτ'dτ,(5)
其中
Φμ(τ,τ')=ei ωμ(τ - τ')[f(+)μ(τ)-f(-)μ(τ)]·
[nμf(+)μ(τ')-(nμ+1)f(-)μ(τ')]+
e-i ωμ(τ - τ')[f(+)μ(τ)-f(-)μ(τ)]·
[(nμ+1)f(+)μ(τ')-nμf(-)μ(τ')].(6)
这里,nμ=1/(eβ ωμ-1)是玻色子布居数的热力学平均值,A(τ)≡U0(-τ)AU0(τ)是τ时刻的算符A,上标(+)和(-)分别对应于向前和向后路径,A(+)O≡AO,A(-)O≡OA,其中O为任意算符.从式(5)和(6)中可以看出,影响泛函在时间上具有非局域性,且向前、向后两条路径相互耦合,这两点使得我们难以直接对ρS(t)进行数值求解.为了克服这些困难,人们提出了不同的思路来处理影响泛函,如微扰展开[73]、级联展开[9-13]、随机去耦合[14-15]等方法.下面将介绍如何结合随机去耦合与微扰展开法推导微扰形式的NMSSE.
1.1 部分随机去耦合首先将影响泛函写成另一种容易处理的表达式.定义如下两类厄米算符
{Xμ=1/2(fμ+fμ),
Pμ=1/(2i)(fμ-fμ).(7)
将其带入式(6)中并将Φμ(τ,τ')分成两部分
Φμ(τ,τ')=Φ0μ(τ,τ')+Φcrossμ(τ,τ'),(8)
其中:
Φ0μ(τ,τ')=[X(+)μ(τ)-X(-)μ(τ)]·
[αμ(τ-τ')X(+)μ(τ')-α*μ(τ-τ')X(-)μ(τ')]+
[P(+)μ(τ)-P(-)μ(τ)]·
[αμ(τ-τ')P(+)μ(τ')-α*μ(τ-τ')P(-)μ(τ')],(9)
包含了Xμ、Pμ与自身的耦合; 而另一项
Φcrossμ(τ,τ')=[X(+)μ(τ)-X(-)μ(τ)]·
[α^~μ(τ-τ')P(+)μ(τ')-α^~*μ(τ-τ')P(-)μ(τ')]-
[P(+)μ(τ)-P(-)μ(τ)]·
[α^~μ(τ-τ')X(+)μ(τ')-α^~*μ(τ-τ')X(-)μ(τ')].(10)
则包含了两者之间的耦合.其中,
{αμ(t)=(2nμ+1)cos(ωμt)-i·sin(ωμt),
α^~μ(t)=(2nμ+1)sin(ωμt)+i·cos(ωμt),(11)
其中,α*μ与α^~*μ分别是αμ与α^~μ的复共轭.在很多情况下(如当fμ为厄米算符或当总哈密顿量具有平移对称性时),∑μΦcrossμ的值为零,对动力学没有贡献.因此,为了方便,我们将不再考虑Φcrossμ.对于Φcrossμ不为零的情况,下文中对Φ0μ采用的所有数学技巧均可直接用于处理Φcrossμ.
对影响泛函进行完全随机去耦合可能导致动力学方程收敛性很差,只进行部分随机去耦合则可大大减轻这个问题.为此,将关联函数αμ分成主体部分αpriμ和剩余部分αresμ:
αμ(t)=αpriμ(t)+αresμ(t).(12)
其中,
{αpriμ(t)=γμcos(ωμt),
αresμ(t)=(2nμ+1-γμ)cos(ωμt)-i·sin(ωμt).(13)
这里,0≤γμ≤2nμ+1是一个待定参数,它决定了αμ的划分方式.由此,我们将Φ0μ划分为两个部分:
Φ0μ(τ,τ')=Φpriμ(τ,τ')+Φresμ(τ,τ').(14)
其中,主体部分为
Φpriμ(τ,τ')=(X(+)μ(τ)X(+)μ(τ')+P(+)μ(τ)·
P(+)μ(τ')+X(-)μ(τ)X(-)μ(τ')+
P(-)μ(τ)P(-)μ(τ'))·αpriμ(τ-τ')-
(X(-)μ(τ)X(+)μ(τ')+P(-)μ(τ)P(+)μ(τ'))·
αμ(τ-τ')-(X(+)μ(τ)X(-)μ(τ')+
P(+)μ(τ)P(-)μ(τ'))·α*μ(τ-τ'),(15)
剩余部分为
Φresμ(τ,τ')=(X(+)μ(τ)X(+)μ(τ')+P(+)μ(τ)·
P(+)μ(τ'))·αresμ(τ-τ')+
(X(-)μ(τ)X(-)μ(τ')+P(-)μ(τ)P(-)μ(τ'))·
(αresμ(τ-τ'))*.(16)
可以看到,向前、向后两条路径相耦合的项全都在主体部分中,因此若对主体部分进行随机去耦合,不同路径之间就不再有交叉项.具体地,引入一系列含时随机场{ξ±,Lμ(t)}(+或-分别对应向前或向后路径,L代表X或P),它们的平均值为零,〈ξ±,Lμ(t)〉=0,并且服从如下统计性质
{〈ξ+,Lμ(t)ξ+,L'μ'(t')〉=δLL'δμμ'αpriμ(t-t'),
〈ξ -,Lμ(t)ξ -,L'μ'(t')〉*=δLL'δμμ'αpriμ(t-t'),
〈ξ +,Lμ(t)(ξ -,L'μ'(t'))*〉=δLL'δμμ'α*μ(t-t').(17)
利用Hubbard-Stratonovich变换[74-75],我们可以将影响泛函部分随机去耦合并得到
F(t)=M[Fξ(t)],(18)
其中,M[·]表示对随机场进行平均,Fξ(t)与随机场有关,
Fξ(t)=exp[-i∫t0∑μ[ξ +,Xμ(τ)X(+)μ(τ)+
ξ +,Pμ(τ)P(+)μ(τ)]dτ+i∫t0∑μ[(ξ -,Xμ(τ))*·
X(-)μ(τ)+(ξ -,Pμ(τ))*P(-)μ(τ)]dτ-
∫t0∫τ0∑μΦresμ(τ,τ')dτ'dτ].(19)
可以看到,主体部分Φpriμ已经被时间上局域的随机项取代.将式(18)和(19)代入式(4)中,并假设ρS(0)=|ψ0〉〈ψ0|,可以得到
ρS(t)=M[|ψ+ξ(t)〉〈ψ-ξ(t)|],(20)
其中,
|ψ±ξ(t)〉=U0(t)U±ξ(t)|ψ0〉(21)
是向前或向后随机波函数,而
U±ξ(t)=T+exp[-i∫t0∑μ(ξ±,Xμ(τ)Xμ(τ)+
ξ±,Pμ(τ)Pμ(τ))dτ-∫t0∫τ0∑μ(Xμ(τ)·
Xμ(τ')+Pμ(τ)Pμ(τ'))αresμ(τ-τ')dτ'dτ].(22)
将式(21)对时间进行求导,便得到随机波函数的演化方程
其中,R±ξ的形式表达式为
R±ξ(t)=T+[∫t0∑μ(Xμ(t)Xμ(τ)+
Pμ(t)Pμ(τ))αresμ(t-τ)dτ·
exp[-i∫t0∑μ(ξ±,Xμ(τ)Xμ(τ)+ξ±,Pμ(τ)
Pμ(τ))dτ-∫t0∫τ0∑μ(Xμ(τ)Xμ(τ')+
Pμ(τ)Pμ(τ'))αresμ(τ-τ')dτ'dτ]].(24)
1.2 微扰展开R±ξ和(U±ξ)-1的复杂形式使得我们无法直接对式(23)进行数值求解.注意到随机去耦合所引入的随机场严格处理了影响泛函的主体部分,可以预见剩余部分对动力学的影响较小,因此可对式(23)中的R±ξ(t)(U±ξ)-1(t)项采用微扰近似,将其以HI进行展开并截断到二阶项,得到
R±ξ(t)(U±ξ)-1(t)≈∫t0∑μ(Xμ(t)Xμ(τ)+
Pμ(t)Pμ(τ))αresμ(t-τ)dτ.(25)
将式(25)代入式(23)中便得到一个非常利于数值求解的动力学方程
其中,H±ξ(t)等于式(26)中方括号内所有项的和.不难发现NMSSE与一般的含时薛定谔方程形式完全相同,唯一的区别在于前者的哈密顿量具有随机性,系统-热库相互作用对系统动力学的影响经由随机场和非马尔可夫项(式(26)中的积分项)包含于H±ξ(t)中.因此在式(26)数值求解的过程中,我们可以将时间离散化,先计算t时刻的H±ξ,然后用常规的算法如四阶龙格库塔法等将t时刻的向前、向后波函数分别演化至下一时刻,接着再重复这个过程.
式(26)实际上代表了无穷多种微扰形式的NMSSE,因为我们并未指定γμ的值.对于目前文献中已被提出的几种NMSSE,γμ=0对应于NMQSD[51];
对应于含时波包扩散方法[58]; γμ=2nμ+1对应于最近被提出的一种新的NMSSE[59].理论上,γμ的选取对NMSSE的数值表现有非常大的影响:若γμ取较小的值,则NMSSE中的非马尔可夫项有可能变得很大,使得微扰近似失效; 若γμ取较大的值,则随机场的收敛性有可能变差.经过大量数值测试,在权衡计算精度和计算资源消耗的平衡后,我们发现一个比较令人满意的选择是
其中,a1μ,L和a2μ,L是相互独立的标准正态分布随机变量,〈aiμ,Lajμ',L'〉=δijδLL'δμμ'.容易验证,这种方式生成的随机场确实服从式(17).此外,由于向前和向后随机场完全相等,每一时刻的向前和向后波函数也必然相等,|ψ+ξ(t)〉=|ψ-ξ(t)〉,因此在实际计算中我们只需演化其中一条路径即可.在下文中,我们将默认按照上述方式产生随机场,并略去方程中的±号.
在实际计算过程中,需要根据式(29)对随机场进行大量采样,每次采样都对NMSSE进行一次求解得到动力学结果,采样结束后根据式(20)对结果进行平均.由于NMSSE采用了部分微扰近似,最后得到的约化密度矩阵一般不是归一化的,因此通常需要在得到平均结果后进行人为归一化,以保证数值结果的稳定性.
1.3 实空间表象数值求解式(26)需要我们选择一个具体的表象.在很多情况下,简正模和系统-热库相互作用在空间上局域,因此实空间表象是一个很自然的选择.例如,在传统Frenkel激子模型中,电子态哈密顿量在实空间(位点)表象下可写成
HS=∑n≠mVnm|n〉〈m|,(30)
其中,|n〉代表处在第n个位点的分子被激发而其他分子处在基态,Vnm是激子耦合强度.分子振动及激子-声子相互作用采用独立热库模型,
这里,式(3)中的指标{μ}被指标{n,j}代替,对应于第n个位点上第j个简正模,gnj代表它与电子态|n〉之间的耦合强度,常常通过谱密度函数
Jn(ω)=π∑jg2njδ(ω-ωnj)(33)
进行描述.将式(32)与式(3)相比较可知,此时
fnj=fnj=Xnj=gnj|n〉〈n|,(34)
且Pnj=0.因此式(8)中的交叉项Φcrossnj确实为零,而且Hξ化简为
Hξ(t)=HS+∑nξXn(t)|n〉〈n|-i∑n|n〉〈n|·
∫t0U0(τ)|n〉〈n|U0(-τ)αresn(τ)dτ,(35)
其中,ξXn(t)≡∑jgnjξXnj(t),αresn(t)≡∑jg2njαresnj(t).
假设系统希尔伯特空间的维度(在Frenkel激子模型中等于分子位点的个数)为N,容易看出,由于HB和HI的高度空间局域性,式(35)中随机项的计算量与N成正比,而非马尔可夫项的计算量与N3成正比.考虑到Hξ作用在波函数上的计算量与N2成正比,可以预见,当N比较大时非马尔可夫项的计算最耗时.但是注意到这一项实际上与随机场无关,因此当N很大时,一个可行的策略是事先计算好每个时间点的非马尔可夫项并存储起来,这样便无需在每次随机取样时都重复计算一遍,其计算成本将远小于方程的其他部分.这使得我们可以处理包含几百个电子态的系统.
1.4 k空间表象上述策略虽然大大减小了计算量,但对内存却有很高的要求,所以无法用于处理包含上千个电子态的系统.此外,当HB和HI在空间上离域时(例如,Holstein-Peierls模型),随机项的计算量将与N2成正比,而非马尔可夫项的计算量将与N4成正比,此时即使只对后者进行单次计算也非常耗时.这种困难产生的根本原因在于计算非马尔可夫项时涉及到多个稠密矩阵的乘法运算.例如在上一小节的例子中,即使fnj在实空间表象下非常稀疏(只有一个矩阵元非零),但U0(t)却是稠密矩阵,其计算过程涉及到HS的本征表象与实空间表象之间的变换,计算量与N3成正比.这启发我们寻找一个特殊的表象,使得每一个矩阵都是稀疏矩阵,从而大大减少非马尔可夫项的计算量.
当哈密顿量具有平移对称性时,k空间(倒易空间)表象便是电子态哈密顿量的本征表象,且由电声耦合引起的电子态的跃迁必须满足晶格动量守恒,因此计算非马尔可夫项所涉及的矩阵均为稀疏矩阵.在这种情况下,相较于实空间而言,k空间表象是一个更好的选择.例如,在k空间表象下,研究载流子输运过程可以考虑如下电子态哈密顿
HS=∑kkakak,(36)
其中,ak和ak分别是晶格动量为k的轨道上载流子的产生和湮灭算符,k是对应的轨道能量,k=(2πm)/N,m=-N/2,-N/2+1,…,N/2-1(这里N代表第一布里渊区内可取k值的个数).晶格振动和载流子-声子相互作用的一般形式可分别写成
此外,式(3)中的指标{μ}被指标{ν,q}代替,对应于第ν个声子谱分支上晶格动量为q的振动,gνkq表征了电声耦合强度.与式(3)相比较可知,此时
fν q=N-1/2∑kgνk qakak+q.(39)
可以看到,由于电声耦合满足晶格动量守恒,fν q在k空间表象下是稀疏矩阵.此外,由于布里渊区的对称性,k与k±2π等价、q与q±2π等价,故由HI的厄米性可得gνk q=(gνk+q,q)*.根据这些性质,容易推得fν q=fν,q+2π=fν,-q.因此,虽然式(8)中单个交叉项Φcrossν q不为零,但是Φcrossν q+Φcrossν,-q=0,所以它们的总和也为零.
考虑单载流子的输运过程,定义电子态|k〉≡ak|vac〉,其中|vac〉代表真空态.将上述哈密顿量代入NMSSE中可得,Hξ中的随机项为
容易看出,其计算量也与N2成正比.因此,当总哈密顿量具有平移对称性时,在k空间表象下数值求解NMSSE无需占用额外内存便可大大减少计算量,因此可以实现包含上千个电子态的系统的动力学模拟.
此外,在式(37)和(38)中,不同位置局域振动之间的相互作用可以用ωνq的色散关系完全表示,局域、非局域的电声耦合也在gνkq的函数关系中被统一处理,因此k空间表象不受独立热库近似限制,可以考虑任意形式的线性电声耦合.作为一个特例,独立热库模型对应于无色散的爱因斯坦声子模型,ωνq=ων,且对于局域的电声耦合,gνkq=gνloc与晶格动量无关,局域电声耦合的谱密度函数为
Jloc(ω)=π∑ν(gνloc)2δ(ω-ων).(42)
若在独立热库模型中考虑非局域的电声耦合,该电声耦合引起相邻位点电子耦合强度的涨落,则gνk q=gνnon(e-ik+ei(k+q)),其对应的谱密度函数为
Jnon(ω)=π∑ν(gνnon)2δ(ω-ων).(43)
k空间下电声耦合的统一性使得我们可以结合NMSSE与密度泛函理论、密度泛函微扰理论等方法,将在k空间下从头算(ab initio)得到的电子能带结构、声子谱以及电声耦合矩阵直接作为NMSSE的输入参数,研究真实无机或有机材料中载流子的超快动力学过程.
2 应 用
在过去的工作中,我们基于自旋-玻色模型、二聚体模型、绿色硫细菌中的Fenna-Matthews-Olson复合物等体系对上节所介绍的微扰形式NMSSE做了大量数值测试[59,76].结果表明该方法对温度和热库环境特征频率的变化表现较为稳定,在系统-热库相互作用强度弱到中等区间内时能够给出定量准确的结果(以同型二聚体的电子转移为例,当电子转移的重组能小于或等于电子耦合强度的3倍时,可以得到准确结果).在本节中,我们分别选取热激子弛豫和载流子输运过程作为在实空间和k空间下NMSSE方法的应用实例进行具体介绍.
2.1 热激子能量弛豫通常将能量超过kBT的激子态称为热激子.在有机光伏材料中,热激子能量弛豫过程对后续发生的电荷分离、多重激子产生等过程具有极大影响.实验上发现热激子能量弛豫是一个先快后慢的“两步”过程[77-84],且有证据表明其中的快速步可能和激子的相干运动有关[85],然而人们对其机理的理解仍然有限.最近一项针对热激子弛豫过程的研究对此进行了明确的理论描述,并阐明了多重时间尺度的来源[86].这里,我们以一维Frenkel激子模型为例,运用NMSSE研究热激子弛豫与动力学相干性的关联,揭示多重时间尺度背后的物理本质.
具体而言,我们采用式(30)~(33)的哈密顿量模拟由200个单体组成的有机分子链,选择分子链中心100个位点参与形成的相干态作为初始激子波包(具体细节见
参考文献[86]).设每个位点的能量相同,且只考虑相邻分子间的激子耦合,将其作为能量参照值,Vn,n±1=1.不同位点的分子振动特性由同一欧姆谱密度函数表征,即Jn(ω)=J(ω)=1/2πξωe-ω/ωc,其中ξ和ωc分别是Kondo参数和截断频率,二者的乘积是重组能λ.这里,我们设ωc=1,温度为β=10.
图1(a)是热激子平均能量E -(t)≡tr{HSρS(t)}的时间演化曲线.可以看到,激子平均能量呈现多指数衰减,且衰减速度与电声耦合强度正相关.通过对实空间下激子在不同位点上的布
图1 200个单体构成的有机分子链的E -(t)(a)和平均相干长度L-(t)(b)的时间演化,退相干时间td以及快速弛豫时间t1随λ的变化曲线(c)[86]
Fig.1 Time evolution of E-(t)(a)and the averaged coherent length L-(t)(b), variation of the dephasing time(td)and the fast energy relaxation time(t1)with respect to λ(c)in a molecular chain consisting of 200 monomers[86]E-(t)=Ee+Ae-k1t+Be-k2t,(44)
其中,A=(((Ed-Eh)k1+(Eh-Ee)k2)C)/(k2-k1),B=((Ee-Ed)k1C)/(k2-k1),C为激子的初始布居数,k1和k2分别为快速退相干和缓慢跳跃过程的速率.容易看出,B始终大于零,而当(k1)/(k2)>(Ee-Eh)/(Ed-Eh)时,A值为负.
为了验证上述机理的合理性,我们需要进一步研究激子的退相干动力学,为此,定义相干长度序列Ll(t):
Ll(t)=∑N+1-ln=1|〈n|ρS(t)|n+l-1〉|,(45)
其中,1≤l≤N,N为位点个数.Ll(t)的大小反映了相隔l-1个分子的两个位点间的相干程度.图1(b)展示了不同重组能下平均相干长度L-(t)=∑Nl=1Ll(t)/(N-l+1)随时间的变化,可以看到,λ越大,退相干速度越快,这与相关实验结果一致[92].此外,图1(c)展示了利用多个指数函数对不同λ下的E-(t)和L-(t)进行拟合所得到的快速能量弛豫时间t1≡1/k1和退相干时间td.可以看到,td非常接近t1,这证实了快速能量弛豫对应于激子退相干过程的假设.
为了证明上述结论在真实有机材料中的有效性,我们进一步选取有机太阳能电池电子给体聚苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮(PBDTTPD)作为研究对象.PBDTTPD共聚物及其单体的结构如图2所示.计算动力学所需的重组能以及激子耦合强度通过第一性原理计算得到,其中重组能采用振动模贡献法λ=∑lλl=∑l1/2ω2lΔQ2l计算[93],ωl是单体第l个简正模的频率,ΔQl是对应的单体基态和第一激发态之间的位移.PBDTTPD重组能的振动模分析数值结果见图2.
插图为PBDTTPD的分子及其单体结构示意图.
图2 PBDTTPD振动分辨重组能(因峰值过低,在3 000~3 300 cm-1频率范围内的结果没有画出)[86]
Fig.2 The mode-resolved reorganization energy for PBDTTPD (frequencies between 3 000 and 3 300 cm-1 are omitted because their peaks are too weak to exhibit)[86]图3 室温(298 K)下PBDTTPD激子布居数演化图(a)和相干长度序列{Ll(t)}演化图(b)[86]
Fig.3 Evolution of the exciton population of PBDTTPD at room temperature(298 K)(a)and the coherence length sequence {Ll(t)}(b)2.2 周期性有机半导体迁移率实验上发现在部分有机材料中载流子呈现很强的局域性[96-100],这暗示着材料中存在较强的电声耦合,载流子输运服从跳跃机制.然而,光导率检测结果[101-102]却表明其迁移率随温度升高而下降,载流子的有效质量较小,属于能带型传输机制.针对这个矛盾,许多理论研究提出了可能的解释[103-110].一部分研究认为载流子传输遵循相干的能带型传输,其局域特征由非局域的电声耦合导致[107]; 一部分研究认为其传输本质是低频的分子间振动导致的瞬态定域波包的扩散[110]; 还有一部分研究发现在跳跃模型的基础上考虑了核隧穿效应后也能得到迁移率随温度负相关变化的传输特征[103].由此可见,关于局域和非局域电声耦合对载流子迁移率的影响,人们还未有一个统一的结论.这里,我们利用k空间下的NMSSE方法在较大跨度参数范围内计算一维周期性有机半导体的迁移率,研究这两种电声耦合作用对载流子迁移率的影响[70].
我们采用式(36)~(38)的哈密顿量进行研究,其中电子能带结构由k=2Vcos k表征,V=100 cm-1作为能量参照值.声子部分采用无色散的爱因斯坦声子模型,局域和非局域电声耦合强度分别由式(42)和(43)描述,并采用如下两套独立的超欧姆谱密度:
Jloc(ω)=(πλ)/2(ω/(ωc,loc))3exp[-ω/ωc,loc],(46)
Jnon(ω)=(πη)/2(ω/(ωc,non))3exp[-ω/ωc,non],(47)
其中,λ和η分别代表两种电声耦合作用的强度,ωc,loc和ωc,non是其对应的振动特征频率.利用NMSSE模拟局域载流子的长时间扩散过程便可得到其扩散系数及迁移率.在k空间下,局域的载流子初始态为|ψ0〉=N-1/2∑k|k〉,均方位移通过下式计算
〈q2(t)〉=N-1l2∑kk'∑nn2exp[i(k-k')n]
〈k|ρS(t)|k'〉,(48)
其中,实空间下相邻晶格的间距l设为0.38 nm.扩散系数D和迁移率μ可通过公式D=limt→SymboleB@〈q2(t)〉/2t以及μ=eD/kBT计算得到.
ωc,loc=288 cm-1,ωc,non=14 cm-1,T=300 K时,迁移率随非局域电声耦合强度η的变化曲线如图4所示.在室温下,随着η从零开始不断增加,迁移率先是急剧减小,再缓慢回弹,对应的转折流子传输机制的转变.理论上普遍认为,在弱电声耦合区域,载流子遵循能带型相干传输[106,111],此时非零的电声耦合会引起载流子的非弹性散射,破坏其相干,进而导致迁移率下降.另一方面,许多研究表明非局域电声耦合对载流子有很强的定域作用[107-108,112].随着非局域电声耦合强度的增加,载流子在空间上越来越定域,波包相干性不断弱化,载流子逐渐转变为跳跃型传输.在这种传输机制下,非局域电声耦合在一定程度上增加了有效电子耦合强度,从而起到协助载流子迁移的作用[113-116],这解释了为什么在转折点后迁移率逐渐增加.因此,我们把迁移率随η变化的反转现象归因于载流子从能带型到跳跃型传输的转变.
图4 μ随η的变化曲线[70]
Fig.4 Cuves of μ vs η [70]虚线表示μ∝T-α的线性拟合结果,相应的α值在虚线旁标出
图5 载流子迁移率随温度变化曲线[70]
Fig.5 Cuves of μ vs T[70]图6 瞬时扩散率随时间的演化(只考虑非局域电声耦合)[70]
Fig.6 Evolution of the instantaneous diffusivity(only the nonlocal electron-phonon coupling is included)[70]图7 瞬时扩散率随时间的演化(只考虑局域电声耦合)[70]
Fig.7 Evolution of the instantaneous diffusivity(only the local electron-phonon coupling is included)[70]3 总结及展望
本文系统总结了近年来针对大尺度开放量子系统发展的微扰NMSSE方法.首先从系统-热库相互作用的影响泛函描述出发,先后运用部分随机去耦合技术和微扰展开技术处理在时间和空间上非局域的影响泛函,得到微扰NMSSE的一般形式.接着详细介绍了NMSSE的数值实现,并建议了一个经过广泛数值测试的NMSSE,该方法被证明很好地平衡了计算精度与计算成本,对温度和热库环境特征频率的变化表现较为稳定,在系统-热库相互作用强度弱到中等区间内能够给出定量准确的结果.随后分别引入实空间和k空间表象下NMSSE的具体形式,并说明各自的优缺点和适用范围.最后以有机体系中热激子弛豫的模拟及载流子迁移率的计算为例阐述NMSSE的具体应用.NMSSE因其演化的是希尔伯特空间中的随机波函数,适用于高效率的并行计算,因而在大尺度系统的模拟中具有显著优势.随着人们对不同材料量子效应研究的不断深入,相信NMSSE在纳米尺度体系超快动力学的理论研究中将扮演着越来越重要的角色.
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