Multipole-preserving quadratures for the discretization of functions in real-space electronic structure calculations

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出版日 2015-09-03
DOI 10.1039/C5CP01236H
インパクトファクター 3.676
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要旨

Discretizing an analytic function on a uniform real-space grid is often done via a straightforward collocation method. This is ubiquitous in all areas of computational physics and quantum chemistry. An example in density functional theory (DFT) is given by the external potential or the pseudo-potential describing the interaction between ions and electrons. The accuracy of the collocation method used is therefore very important for the reliability of subsequent treatments like self-consistent field solutions of the electronic structure problems. By construction, the collocation method introduces numerical artifacts typical of real-space treatments, like the so-called egg-box error, which may spoil the numerical stability of the description when the real-space grid is too coarse. As the external potential is an input of the problem, even a highly precise computational treatment cannot cope this inconvenience. We present in this paper a new quadrature scheme that is able to exactly preserve the moments of a given analytic function even for large grid spacings, while reconciling with the traditional collocation method when the grid spacing is small enough. In the context of real-space electronic structure calculations, we show that this method improves considerably the stability of the results for large grid spacings, opening up the path towards reliable low-accuracy DFT calculations with a reduced number of degrees of freedom.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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