量子化學和計算凝聚態物理有什麼共同點和不同點?

時間 2021-06-11 19:46:16

1樓:ZhenYu

都是用近似理論,計算研究複雜原子體系。

目的上,化學關注分子,物理關注固體,量子化學的問題往往和化學反應有關,計算凝聚態物理則和化學反應不相關,有傾向性。

方法上,量子化學傳統上基於:

1.波函式的方法(Hartree-Fock等);

2.局域軌道(STO,GTO等);

3.贗勢(局域贗勢,effective core potentials)。

計算凝聚態傳統上基於:

1.密度泛函理論;

2.平面波軌道;

3.贗勢(非局域贗勢)。

還有一些程式,基於全電子勢,平面波加局域軌道,實空間,PAW,這些的起源還是在以上能找到。Hybrid functional可以用Gauss也可以用平面波這就不好說算是那一邊的了。局域軌道加DFT算DFT。

區別就看scf計算迭代是電荷mixing還是波函式mixing,似乎是個辦法。

2樓:樹袋熊

其實區別還是很大的,主觀上說是關心的問題不同,客觀上說是能量尺度不同。我主要做凝聚態物理,所以主要介(an)紹(li)後者。

量子化學,顧名思義,主要研究化學反應中的能量(成鍵能,電離能等),以及基態構型的鍵長鍵角等等。而這些過程涉及的能量尺度在eV量級。

凝聚態物理,則關心固液態體系在巨集觀尺度上的物理性質,比如電導(電輸運)、熱導(熱輸運)、磁性、超導等等。從能量尺度上看,這些巨集觀過程涉及的能量激發更低,比如在金屬中,即便在室溫下,對巨集觀性質起作用的也就是費公尺能級上下26meV。可以說凝聚態物理主要研究的是固液體中的(i)基態分類的問題,(ii)低能激發的問題。

這兩個故事是極其豐富和有趣的,並且概念上非常高大上,吸引了一批又一批的有(zhong)志(er)青年僕後繼跳入凝聚態物理的坑。

先說基態。早些年物理學家對基態的分類基於對稱性,所以相變有時候也叫對稱性破缺。對稱性破缺會伴隨著有趣的低能激發,一會說。

而近幾十年,物理學家意識到這種認識是不完整的。要獲得完整的刻畫,必須引入拓撲的概念。拓撲的引入先是給了量子霍爾效應、分數量子霍爾效應帶來優美的數學結構,然後由此發展出了拓撲序、拓撲絕緣體的概念,並成功預言了很多拓撲材料。

再說低能激發。凝聚態系統中的低能激發的最小單元(量子效應),可以稱為某種子或某種元,比如電子,聲子,磁子,激子,極化激元,等離激元等。描述這些激發的語言是量子場論。

低能物理的一大好處就是普適性,而普適的東西是簡潔和優雅的。比如超導體中,邁斯納效應(超導體排斥磁場的效應)起源於連續對稱性破缺導致的Goldstone mode與電磁場之間的耦合,這種機制也被稱為Anderson-Higs機制。這種機制有多普適呢?

它可以解釋粒子物理中標準模型中的規範玻色子的質量起源。有沒有一種一花一世界的感覺?有沒有很酷?

量子化學和凝聚態物理的Overlap主要是指第一性計算方法。Gauss的鼻祖Pople和DFT的鼻祖Kohn一起獲得了2023年的諾貝爾化學獎。據說Kohn對獲得化學獎而不是物理獎還是很有意見的。

具體的比較前面的仁兄已經回答得很詳細了,不再贅述。

3樓:追夢尋緣之行者

就研究物件而言,凝聚態包含液態,固態,玻色愛因斯坦凝聚,超導超流在內的多種物質系統,而量子化學,當然是以分子為主;

就研究方法而言,凝聚態物理涉及實驗,理論,計算三種目前公認的科學研究方法,而量子化學當然主要運用計算的方法。

目前就這些,想到再補充……

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