Non-adiabatic coupling matrix elements in a magnetic field: Geometric gauge dependence and Berry phase

Berry连接和曲率 几何相位 物理 表面跳跃 波函数 规范理论 自旋轨道相互作用 绝热过程 量子力学 背景(考古学) 联轴节(管道) 经典力学 材料科学 冶金 古生物学 生物
作者
Tanner Culpitt,Erik I. Tellgren,Laurens D. M. Peters,Trygve Helgaker
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (18)
标识
DOI:10.1063/5.0229854
摘要

Non-adiabatic coupling matrix elements (NACMEs) are important in quantum chemistry, particularly for molecular dynamics methods such as surface hopping. However, NACMEs are gauge dependent. This presents a difficulty for their calculation in general, where there are no restrictions on the gauge function except that it be differentiable. These cases are relevant for complex-valued electronic wave functions, such as those that arise in the presence of a magnetic field or spin–orbit coupling. In addition, the Berry curvature and Berry force play an important role in molecular dynamics in a magnetic field and are also relevant in the context of spin–orbit coupling. For methods such as surface hopping, excited-state Berry curvatures will also be of interest. With this in mind, we have developed a scheme for the calculation of continuous, differentiable NACMEs as a function of the molecular geometry for complex-valued wave functions. We demonstrate the efficacy of the method using the H2 molecule at the full configuration–interaction (FCI) level of theory. In addition, ground- and excited-state Berry curvatures are computed for the first time using FCI theory. Finally, Berry phases are computed directly in terms of diagonal NACMEs.
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