SUPERVISOR
Mojtaba Alaei,Hadi Akbar zadeh
مجتبی اعلائی (استاد راهنما) هادی اکبرزاده (استاد مشاور)
STUDENT
Zeinab Emami
زینب امامی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Calculation of length and binding energy of iron dimer by the two methods of quantum Monte Carlo and density functional theory
The main aim of this thesis is studying of iron dimer by the Quantum Monte Carlo (QMC) Method. The QMC method is a stochastic method which is used to solve the Schr?dinger equation. The character of being stochastic is due to using random numbers. As a matter of fact, QMC is a Monte Carlo method sor solving the Srodinger equation. The main advantage of this method is its accuracy is independent of the integral dimension. Also, this method, due to its independence of the integral dimension, is the best accessible method to deal with complicated systems such as strongly correlated systems, as well as large systems in which modern quantum chemistry methods such as configuration interactio fail to apply. Variational Monte Carlo method (VMC) and diffusion Monte Carlo method (DMC) are the most popular QMC method in electronic structure calculations which are used in the present project. The CASINO code was used for the QMC calculations. This code is capable of dealing with limited systems such as various kinds of atoms, molecules, crystals, systems with periodic boundary conditions, 2-dimensional and 3-dimensional homogenous and inhomogeneous gases in crystalline or fluid phases. Beginning the QMC calculations requires an input trial wave function. There are several ways to produce the trial wave function. One of the ways is to use the output file of the density functional theory (DFT) method. To perform the DFT calculations, the GAUSSINA03 code was used. The more similar is the input trial wave function to the ground wave function of the system, the more accurate is the variational QMC method. For the same reason, a great deal of attention was assigned to choosing the basis set used in the DFT calculations, in order to find the optimum basis set for DFT calculations. Before finding the optimum basis set, the proper multiplicity of the system was obtained and found to be 7. Ultimately, the output file of the DFT calculations by GAUSSIAN03 code was used to produce the trial wave function for the QMC method. At the beginning of the calculations, the variance of the VMC calculations was high. Studying the texts clarified that the intense fluctuations of the core electrons causes the enhancement in the variance of the calculations. Therefore, an effective core potential with 12 core electrons was utilized in performing the calculations and the variance of the calculations fell off to an acceptable value. The wave function produced by the VMC calculations was used as the guide function in order to impose the importance sampling in the DMC method. The DMC calculations were performed with the same effective core potential used in the VMC method. To enhance the accuracy of the calculations, some different ways such as changing the number of steps and walkers and optimizing the backflow factor, were examined. Applying the backflow factor enhanced the calculation time to 6 times while did not change the variance so much. Therefore, finally the backflow factor was omitted. For different via-atoms length chosen around the bond length obtained by the DFT method, the DMC calculations were performed and the diagram of energy versus via-atoms length was fitted to the 4 th order polynomial. Ultimately the iron bond length was found to be 2.054 ? and its binding energy turned out to be -1.143 eV which is in a good agreement with the experimental reports. In addition to the main goal of the project, other results were obtained. For example it was observed that for walker numbers larger than a plausible value, the variance of the calculations does not change significantly. Also the prominence of using effective core potential in the large and strongly correlated system was clarified. Key words: Quantum Monte Carlo (QMC), VMC, DMC, Density Functional Theory (DFT), CAINO code, GAUSSINA03 code
هدف از انجام پروژه ی حاضر، مطالعه ی دوتایی آهن به روش مونت کارلوی کوانتومی است. روش مونت کارلوی کوانتومی یک روش تصادفی است که برای حل معادله ی شرودینگر به کار می رود. خاصیت تصادفی بودن، ناشی از استفاده از اعداد تصادفی است. در حقیقت، مونت کارلوی کوانتومی از به کارگیری روش های مونت کارلو در حل معادله ی شرودیگر به دست می آید. مزیت عمده ی این روش، مستقل بودن دقت از ابعاد انتگرال گیری است. همچنین این روش، به دلیل مستقل بودن دقت آن از ابعاد انتگرال، بهترین روش ممکن برای بررسی سیستم های پیچیده، مانند سیستم های همبسته ی قوی و نیز سیستم hy;های بزرگی است که روش های شیمی محاسباتی مدرن مانند روش برهم کنش ریخت بندی از عهده ی انجام آن خارج هستند. مونت کارلوی وردشی (VMC) و مونت کارلوی پخشی (DMC) پرکاربردترین روش ها در انجام محاسبات ساختار الکترونی هستند که در پروژه ی حاضر مورد استفاده قرار گرفتند. برای انجام محاسبات مونت کارلوی کوانتومی،کد CASINO مورد استفاده قرار گرفت. این کد دارای قابلیت های متعددی از جمله قابلیت برخورد با سیستم های محدود مانند اتم ها، مولکول ها، بلورها، سیستم های باشرایط مرزی دوره ای، گازهای الکترونی همگن و غیرهمگن دوبعدی و سه بعدی در فازهای بلوری یا مایع و غیره، است. شروع محاسبات مونت کارلوی وردشی مستلزم وجود یک تابع موج آزمون ورودی است. راه های متعددی برای تولید این تابع موج آزمون وجود دارد. یکی از راه های ممکن استفاده از تابع موج خروجی نظریه ی تابعی چگالی (DFT) است. برای انجام محاسبات نظریه ی تابعی چگالی کد GAUSSIAN03 به کار رفت. هر اندازه که تابع موج ورودی برای انجام محاسبات مونت کارلوی وردشی نزدیکی بیش تری به تابع موج حالت پایه ی سیستم داشته باشد، محاسبات با دقت بیش تر انجام می شوند. به همین منظور دقت زیادی در انتخاب مجموعه توابع پایه ی به کار رفته در محاسبات نظریه ی تابعی چگالی صورت گرفت، به طوری که مجموعه توابع پایه ی به کار رفته، بهترین انتخاب ممکن برای بررسی سیستم در روش DFT باشد. پیش از انتخاب مجموعه توابع پایه ی بهینه، چندگانگی اسپینی سیستم تعیین و برابر 7 به دست آمد. در نهایت فایل خروجی حاصل از محاسبات DFT با کد GAUSSIAN03 برای تولید تابع موج آزمون محاسبات مونت کارلوی وردشی مورد استفاده قرار گرفت. در شروع انجام محاسبات، واریانس محاسبات VMC بسیار بالا بود. بررسی مراجع معلوم ساخت که افت و خیز شدید الکترون های مرکزی باعث افزایش واریانس محاسبات می شود. بنابراین یک شبه پتانسیل موضعی با 12 الکترون مرکزی در انجام محاسبات به کار گرفته شد و واریانس محاسبات تا حد قابل قبولی کاهش یافت. تابع موج حاصل شده از روش VMC به عنوان تابع موج راهنما و اعمال نمونه برداری با اهمیت در روش DMC به کار گرفته شد. محاسبات DMC نیز با استفاده از همان شبه پتانسیل به کار رفته در محاسبات VMC انجام شد. برای افزایش دقت محاسبات، امکانات مختلفی از جمله تغییر تعداد گام ها و گام زن ها و بهینه سازی ضریب backflow آزموده شد. استفاده از ضریب backflow زمان محاسبات را تا 6 برابر افزایش داد، اما تاثیر چندانی بر کاهش واریانس محاسبات نداشت؛ بنابراین در نهایت ضریب backflow از محاسبات حذف شد. برای فواصل بین اتمی مختلفی که حول فاصله ی تعادلی حاصل از روش DFT انتخاب شده بودند، محاسبات DMC انجام گرفت و نمودار انرژی بر حسب فاصله ی دو اتم آهن با چند جمله ای درجه 4 فیت شد. در نهایت، طول پیوند برای دوتایی آهن برابر ?054/2 و انرژی پیوند برابر eV143/1- به دست آمد. مقادیر حاصل در مقایسه با مقادیر تجربی برگرفته از مراجع، دقت بالایی را نشان می دهند. علاوه بر نتیجه ی ذکر شده، که هدف اصلی پایان نامه ی حاضر بود، نتایج دیگری نیز به طور جانبی حاصل شد؛ به عنوان مثال مشاهده شد که برای مقادیر بیش تر از تعداد معینی از گام زن ها دقت محاسبات تغییر چندانی نمی کند. همچنین اهمیت استفاده از شبه پتانسیل در انجام محاسبات برای سیستم های بزرگ و همبسته ی قوی روشن شد. کلمات کلیدی: مونت کارلوی کوانتومی، نظریه ی تابع چگالی، VMC، DMC، کد GAUSSIAN، کد CASINO