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Die Kohn-Sham-Theorie

Kohn und Sham [Kohn65] machten den Ansatz, im Energiefunktional tex2html_wrap_inline7337 das kinetische Funktional tex2html_wrap_inline7369 eines nichtwechselwirkenden Referenzsystems und den Hartreeterm zu verwenden und alle nötigen Korrekturterme pauschal zu einem sogenannten ``Exchange-Correlation-Funktional'' tex2html_wrap_inline7371 (mit unbekannter funktionaler Abängigkeit von tex2html_wrap_inline7341) zusammenzufassen, das nun das Austauschfunktional der Thomas-Fermi-Dirac-Theorie ersetzt:
eqnarray2170
Diese Aufteilung hat den Vorteil, daß sich Fehler in der kinetischen Energie und der Elektron-Elektron-Wechselwirkung gegenseitig aufheben.
Levy und Lieb haben gezeigt, kann man die Variation auf ``N-darstellbare'' Grundzustandsdichten ausweiten kann: das sind solche Dichten, die sich also als Summe von Einteilchendichten schreiben lassen: tex2html_wrap_inline7375. Praktisch wird die Variation gleich über Einteilchenwellenfunktionen ausgeführt, und zusammen mit der Forderung der Orthonormierung folgen nach einer unitären Transformation die Kohn-Sham-Gleichungen
displaymath2181
mit dem ladungsdichteabhängigen Potential
displaymath2186
Wellenfunktionen und Potential sind wieder selbstkonsistent zu bestimmen.
Die Güte des Kohn-Sham-Verfahrens hängt entscheidend von der Wahl des Funktionals tex2html_wrap_inline7377 ab, das den Austauschterm der Hartree-Fock-Theorie ersetzt: es kann beispielsweise an experimentelle Daten angepaßt werden. Ein verbesserter Ansatz mit Gradientenkorrektur lautet
displaymath2197
Bei Berücksichtigung des Elektronenspins s werden die Einteilchenwellenfunktionen als Produkt aus Ortsraum- und Spinraumfunktion tex2html_wrap_inline7381 geschrieben (``restricted''). Man kann unter Umständen die Energie noch weiter absenken, wenn für verschiedene Spinrichtungen verschiedene Ortsraumfunktionen zugelassen werden (``unrestricted''). Die damit gebildete Grundzustands-Slaterdeterminante ist allerdings keine Eigenzustand zum Spinoperator mehr.