O(N ) ab initio calculation scheme for large-scale moiré structures

哈密顿量(控制论) 物理 电子能带结构 算法 几何学 量子力学 数学 数学优化
作者
Tan Zhang,Nicolas Regnault,B. Andrei Bernevig,Xi Dai,Hongming Weng
出处
期刊:Physical review 卷期号:105 (12) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physrevb.105.125127
摘要

We present a two-step method specifically tailored for band structure calculation of the small-angle moir\'{e}-pattern materials which contain tens of thousands of atoms in a unit cell. In the first step, the self-consistent field calculation for ground state is performed with $O(N)$ Krylov subspace method implemented in OpenMX. Secondly, the crystal momentum dependent Bloch Hamiltonian and overlap matrix are constructed from the results obtained in the first step and only a small number of eigenvalues near the Fermi energy are solved with shift-invert and Lanczos techniques. By systematically tuning two key parameters, the cutoff radius for electron hopping interaction and the dimension of Krylov subspace, we obtained the band structures for both rigid and corrugated twisted bilayer graphene structures at the first magic angle ($\theta=1.08^\circ$) and other three larger ones with satisfied accuracy on affordable costs. The band structures are in good agreement with those from tight binding models, continuum models, plane-wave pseudo-potential based $ab~initio$ calculations, and the experimental observations. This efficient two-step method is to play a crucial role in other twisted two-dimensional materials, where the band structures are much more complex than graphene and the effective model is hard to be constructed.
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