Mixed Stochastic-Deterministic Time-Dependent Density Functional Theory: Application to Stopping Power of Warm Dense Carbon
暖致密物质（WMD）描述了一种介于凝聚态物质和经典等离子体之间的中间相，存在于自然和人造系统中。在实验室环境中，需要动态创建WDM。它通常是激光或脉冲功率产生的，并且很难通过实验来表征。测量由WDM靶引起的高能离子的能量损失对于惯性约束聚变的研究具有重要意义。然而，电子耦合，简并和量子效应限制了容易计算的动力学模型的准确性，而高温使凝聚态物质的传统工具，如时间依赖密度泛函理论（TD-DFT），往往难以处理。我们已经开发了一种混合的随机-确定性的方法TD-DFT，它提供了更有效的计算，同时保持所需的精度模型歧视。最近，这种方法显示出显着的改善相比，模型相比，实验能量损失测量WDM碳。在这里，我们描述了这种方法，并证明了其应用程序的温暖致密碳停止acr
2021-12-02 cond-mat.other hep-th physics.comp-ph
Nonlinear Electronic Density Response in Warm Dense Matter
暖致密物质（WDM）-这些条件可以在实验室中通过冲击压缩或激光激发来实现，并且最精确的实验诊断是通过激光和自由电子激光来实现的，所述激光和自由电子激光在理论上使用线性响应理论建模。在这里，我们提出了第一个\textit{ab initio}路径积分Monte Carlo结果的非线性密度响应的相关电子在WDM和显示，对于许多情况下的实验相关的非线性效应不能忽略。
2020-04-07 cond-mat.str-el physics.comp-ph
Capturing many-body effects in electrical conductivity of warm dense matter
University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本文基于密度泛函理论，提出GW近似框架改进导电性计算，揭示电子散射对不同温度下导电性的影响，提升对暖稠密物质导电机制的理解。
2026-05-11 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
Spin-resolved density response of the warm dense electron gas
我们提出了广泛的新的\emph{ab initio}路径积分蒙特卡罗（PIMC）结果的自旋分辨密度响应的均匀电子气（UEG）在温暖的稠密物质条件。这使我们能够明确地评估以前的理论近似的准确性，从而为介电方案的未来发展提供有价值的新见解。从物理的角度来看，我们观察到一个非平凡的表现，出现在强耦合，$r_s\gtrsim5$的自旋偏角静态密度响应函数的有效电子-电子吸引力。所有的PIMC结果都可以在线免费获得，并可用于基准新的近似和模拟方案。
2022-05-02 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.plasm-ph
Direct free energy calculation from ab initio path integral Monte Carlo simulations of warm dense matter
本文提出一种基于玻色构型空间有效系综的从头算路径积分蒙特卡罗方法，可在不增加费米子符号问题复杂度的情况下直接计算温暖稠密物质等系统的自由能，为基准检验密度泛函理论等现有方法提供了新途径。
2024-07-01 cond-mat.quant-gas physics.chem-ph physics.comp-ph
Variational Density Matrix Method for Warm Condensed Matter and Application to Dense Hydrogen
介绍了一种新的优化热密度矩阵的变分原理。作为第一个应用，变分多体密度矩阵被写为一个整体密度矩阵的行列式，这是近似的高斯与平均值，宽度和振幅作为变分参数。该方法被示出为粒子在外场问题，氢分子和致密的氢分子，解离和等离子体制度进行了描述。结构和热力学性质（能量，状态方程和冲击Hugoniot）。
1999-10-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Ab initio density functional theory approach to warm dense hydrogen: from density response to electronic correlations
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)（高级系统理解中心）；College of Physics, Jilin University（吉林大学物理学院）；State Key Laboratory of High Pressure and Superhard Materials, Jilin University（吉林大学高压与超硬材料国家重点实验室）；International Center of Future Science, Jilin University（吉林大学未来科学国际中心）
本文提出结合时域和静态DFT方法，高精度研究暖密氢体的电子关联特性，为理解天体物理和聚变应用提供新途径。
2025-10-17 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Ab initio path integral Monte Carlo simulations of warm dense two-component systems without fixed nodes: structural properties
本文采用ξ-外推PIMC方法克服费米子符号问题，准确模拟温密氢与铍的结构性质，为轻元素及混合物研究提供无固定节点的新途径。
2024-03-04 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
The Fermion Sign Problem in Path Integral Monte Carlo Simulations: Quantum Dots, Ultracold Atoms, and Warm Dense Matter
关联费米体系的从头算热力学模拟在热的致密物质、量子点中的电子和超冷原子等许多应用中具有重要意义。不幸的是，费米子的路径积分蒙特卡罗（PIMC）模拟受到著名的费米子符号问题（FSP）的严重限制。在这项工作中，我们提出了一个动手讨论的FSP和详细调查其表现形式的温度，系统的大小，相互作用的强度和类型，以及系统的维数。此外，我们分析了费米子期望值的概率分布，当FSP严重时，它可以是非高斯的和厚尾的。作为一个实际应用，我们考虑电子和偶极原子在谐波约束，和均匀的电子气在温暖的稠密物质制度。此外，我们还提供了大量的PIMC数据，这些数据可以作为开发新方法的参考，也可以作为近似值的基准。
2019-07-30 cond-mat.str-el physics.chem-ph physics.comp-ph
\emph{Ab initio} Quantum Monte Carlo simulation of the warm dense electron gas
热致密物质是等离子体物理中最活跃的前沿领域之一，因为它与致密天体物理学对象以及新型实验室实验（其中物质被强压缩，例如通过高功率激光）相关。它的描述在理论上是非常具有挑战性的，因为它包含在有限温度下的相关量子电子-一个不能用标准分析或基态方法精确建模的系统。近年来，费米量子蒙特卡罗模拟取得了突破性进展。首先，已经表明有限模型系统（$30 \dots 100$电子）的精确模拟是可能的，其避免了任何简化近似，例如固定节点[Schoof { \em et al.}，物理修订版信函{ \bf 115}，130402（2015）]。其次，Dornheim { \em et al.}报道了一种将这些结果精确外推到热力学极限的新方法。[Phys. Rev. Lett. { \bf 117}，156403（2016）]。结果，现在热的稠密电子气的热力学结果是可用的，其具有$0.1\%$量级的前所未有的精度。在这里，我们对这些结果进行了概述，并讨论了局限性和未来的发展方向。
2016-11-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fast and Universal Kohn Sham Density Functional Theory Algorithm for Warm Dense Matter to Hot Dense Plasma
理解许多过程，例如聚变实验，行星内部和矮星，强烈依赖于热致密物质（WDM）和热致密等离子体的微观物理模型。这种复杂的物质状态是由简并的和接近自由电子、分子和离子的瞬态混合物组成的。这种机制挑战了实验和分析建模，需要预测\emph{ab initio}原子计算，通常基于量子力学Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）。然而，随着温度和系统尺寸的立方计算缩放禁止使用DFT通过大部分的WDM制度。最近开发的KS-DFT的随机方法可以在高温下使用，具有与确定性方法完全相同的精度，但是随机误差可以缓慢收敛，并且对于中间温度（<50 eV）仍然昂贵。我们已经开发了一个通用的混合随机-确定性算法DFT在任何温度。这种方法利用KS-DFT的物理特性来无缝集成这些不同方法的最佳方面。我们证明，这种方法显着加速自洽场计算的温度从3至50 eV，同时产生稳定的分子动力学和准确的扩散系数。
2020-07-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An investigation into the approximations used in wave packet molecular dynamics for the study of warm dense matter
波包分子动力学（WPMD）作为一种快速的计算工具，在研究Born-Oppenheimer近似下的热稠密物质动力学过程中受到了广泛的关注。这些技术通常采用许多近似来实现计算效率，同时实现半经验缩放参数以保持准确性。我们调查三个主要的近似无处不在的WPMD：一个限制的基集，近似交换，缺乏相关性。我们检查每一个原子和分子的氢除了致密的氢等离子体中的这些近似。我们发现，最大的改进WPMD来自于结合两个高斯基础上的价键波函数的半经验校正。一个单一的参数缩放这种修正，以匹配实验压力的稠密氢。最终，我们发现，半经验的尺度参数是必要的，以纠正WPMD的主要近似。然而，减少更多从头算项的标度参数会得到更准确的结果，并更容易显示底层物理。
2021-04-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Group Conductivity and Nonadiabatic Born Effective Charges of Disordered Metals, Warm Dense Matter, and Hot Dense Plasma
本文提出利用非绝热 Born 有效电荷（NBEC）转化为群电导率，以在无序金属、温稠密物质和热稠密等离子体等系统中提取电离态，克服了传统平均电离态在静态极限下的差异。
2025-02-25 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.chem-ph
Electronic Density Response of Warm Dense Hydrogen: Ab initio Path Integral Monte Carlo Simulations
氢在极端条件下的性质对许多应用都很重要，包括惯性约束聚变和天体物理模型。一个关键的数量是由电子密度响应外部扰动，这是探测在X射线汤姆逊散射（XRTS）实验-状态的最先进的诊断，从其中的系统参数，如自由电子密度$n_e$，电子温度$T_e$，和电荷状态$Z$可以推断。在这项工作中，我们提出了高精度的路径积分Monte Carlo（PIMC）的电子密度响应的氢的结果。我们得到的交换相关（XC）内核$K_{xc}$，这是许多应用，如含时密度泛函理论（TD-DFT）的核心相关。这给了我们第一个不带偏见的看氢的电子密度响应在温暖的致密物质制度，从而开辟了未来研究的途径。
2022-03-03 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Linear-response time-dependent density functional theory approach to warm dense matter with adiabatic exchange--correlation kernels
提出一种新的LR-TDDFT方法，结合绝热XC核与KS响应，超越ALDA/AGGA，适用于温稠密物质，并在温稠密氢上验证了其有效性。
2023-02-09 cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el physics.comp-ph
Structure, equation of state, diffusion and viscosity of warm dense Fe under the conditions of giant planet core
铁在宇宙中大量存在。特别是，热致密铁的动力学结构和输运性质对于理解巨行星的演化和结构至关重要。本文采用量子朗之万分子动力学（QLMD）的第一性原理计算，给出了Fe在33.385 g/cm $^3$和45 g/cm $^3$两种典型密度下，在1 eV和10 eV温度范围内的离子结构、状态方程、扩散和粘度.进一步讨论了在该区域中斯托克斯-爱因斯坦（SE）关系的有效性，说明了选择有效原子直径的重要性。结果提醒我们在极端条件下谨慎使用SE关系。
2013-03-14 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Reduced Ionic Diffusion by the Dynamic Electron-Ion Collisions in Warm Dense Hydrogen
电子-离子动态碰撞在决定热密物质（WDM）的静态和输运性质中起着重要作用。用电子力场方法研究了热重氢离子输运性质。与量子分子动力学和无轨道分子动力学的结果相比，考虑了电子和离子的动力学碰撞，大大减少了离子扩散。量子朗之万分子动力学（QLMD）模拟验证了这一物理现象，其中包括电子-离子碰撞诱导摩擦（EI-CIF）到离子的动力学方程。在此基础上，我们提出了一个包含碰撞摩擦修正的离子扩散模型。CIF模型在较宽的密度和温度范围内都是有效的.并与Yukawa单组分等离子体（YOCP）模型和有效OCP（EOCP）模型进行了比较.我们提出了用CIF模型修正EOCP模型来计算自扩散系数，以引入动态电子-离子碰撞效应。
2021-01-03 physics.atom-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Reproducibility of real-time time-dependent density functional theory calculations of electronic stopping power in warm dense matter
该研究通过四种实时TDDFT实现交叉验证了温稠密氢中α粒子电子阻止本领计算的可重复性，发现结果高度一致，并系统分析了赝势、轨迹依赖性和有限尺寸效应等关键方法学因素的影响。
2024-01-16 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Accuracy of Kohn-Sham density functional theory for warm- and hot-dense matter equation of state
本文通过高精度从头算分子动力学模拟验证了Kohn-Sham密度泛函理论在暖稠密与热稠密物质状态方程计算中的准确性，并借助机器学习力场证明结果对交换关联泛函选择不敏感。
2024-11-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Transferable Interatomic Potentials for Aluminum from Ambient Conditions to Warm Dense Matter
本研究利用机器学习原子间势，基于DFT-MD数据训练单一模型，成功模拟铝从环境到温稠密物质（高达60,000 K）的输运和材料性质，克服了计算限制，验证了势的可迁移性。
2023-04-19 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
Finite temperature density functional theory investigation to the nonequilibrium transient warm dense state created by laser excitation
本文采用有限温度密度泛函理论研究了激光激发下热致密Li、Al、Cu和Au的非平衡瞬态电子结构。光子根据光子能量从内壳层轨道或从价带激发电子，并引起样品的等容加热。当空穴位于内壳层3s轨道时，观察到Cu的3d轨道局域态。这些材料在非平衡状态下的电导率使用Kubo-Greenwood公式计算。与平衡态相比，电导率的变化对于内壳层轨道或价带中的空穴的情况是不同的。这是由于两个因素的竞争：由于减少核心电子的屏蔽而导致的轨道能量的移动，以及由于电子的激发而导致的化学势的增加。详细讨论了电子和离子的有限温度对电导率的影响。这一工作有助于更好地理解热致密物质激光激发实验的物理过程。
2020-09-09 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.comp-ph
Ab initio simulation of warm dense matter
暖密物质（WDM）-一种高度压缩物质的奇异状态-近年来在天体物理学和致密实验室系统中引起了高度兴趣。同时，这种状态在理论上也极难处理。这是由于量子简并、库仑关联和热效应的同时出现，以及等离子体和凝聚相的重叠。最近的突破是由于密度泛函理论（DFT）方法的成功应用，然而，往往缺乏必要的精度和预测能力的WDM应用。随着量子蒙特卡罗（QMC）模拟获得的温暖致密均匀电子气（UEG）交换相关自由能的第一个\textit{ab initio}数据的可用性，情况发生了变化，有关最近的评论，请参见Dornheim \textit{et al.}，Phys. Plasmas \textbf{24}，056303（2017）和Phys. Rep. \textbf{744}，1-86（2018）。在本文中，我们回顾了最近的进一步进展，QMC模拟的温暖稠密UEG：即\textit{ab initio}结果的静态局部场校正$G(q)$和动态结构因子$S(q,ω)$。这些数据与X射线散射实验在自由电子激光设施的比较和理论模型的改进是关键的相关性。在本文的第二部分中，我们讨论了WDM的非平衡模拟。理论方法包括Born-Oppenheimer分子动力学、量子动力学理论、含时密度泛函理论和流体力学。在这里，我们分析了这些方法的优势和局限性，并认为在WDM模拟的进展将需要一个适当的组合的所有方法。一个特殊的角色可能会发…
2020-02-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Transition to metallization in warm dense helium-hydrogen mixtures using stochastic density functional theory within the Kubo-Greenwood formalism
Kubo-Greenwood（KG）公式通常与Kohn-Sham（KS）密度泛函理论（DFT）结合使用来计算光学电导率，特别是对于热的致密物质。为了应用KG公式，需要直到能量截止的所有KS本征态和本征值，因此该方法变得昂贵，特别是对于高温和大型系统，随着系统尺寸和温度的立方缩放。在这里，我们开发了一种方法来计算KS电导率内的随机DFT（sDFT）的框架，这只需要知识的KS哈密顿量，但不是它的本征态和值。我们表明，与该方法相关的计算工作量与系统大小成线性关系，并与传统的确定性方法的立方增加不同，与温度成比例减少。此外，我们发现，该方法可以准确地描述整个频谱，包括高频范围，不像确定性方法，这是被迫引入高频截止由于内存和计算时间的限制。我们将该方法应用于氦-氢混合物在温暖的稠密物质制度在温度的\sim 60 \text{kK}，并发现该系统显示两个导电性阶段，其中发生从非金属到金属的过渡时，氢原子构成\sim 0.3的总原子在系统中。
2019-10-20 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Averaging over atom snapshots in linear-response TDDFT of disordered systems: A case study of warm dense hydrogen
针对无序体系LR-TDDFT模拟的快照依赖有限尺寸效应，提出结合直接微扰法静态XC核的自洽快照平均方案，可计算宏观响应与介电函数，适用于温密物质等多类体系。
2023-06-19 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.data-an
Time-resolved XUV Opacity Measurements of Warm-Dense Aluminium
等离子体中的自由-自由不透明度是理解恒星内部能量输运和惯性约束聚变研究的基础。然而，在具有挑战性的稠密等离子体制度的理论预测是相互矛盾的，有一个准确的实验数据，以允许直接模型验证的缺乏。在这里，我们提出了时间分辨透射测量固体密度铝加热的XUV自由电子激光。我们使用一种新型的函数优化方法直接从单次测量的过采样池中提取与温度相关的吸收系数，并发现当等离子体加热到费米能量量级的温度时，不透明度显着增强。等离子体加热和不透明度增强的超快时间尺度上观察到的飞秒XUV脉冲的持续时间内。我们把ps时间尺度上不透明度的进一步上升归因于融化和热密度物质的形成。
2020-01-18 physics.comp-ph physics.data-an physics.plasm-ph
Unraveling electronic correlations in warm dense quantum plasmas
本文突破无节点限制的路径积分蒙特卡罗模拟，揭示温密物质中强库仑作用、量子效应与热激发的电子关联，并准确复现国家点火装置的铍XRTS实验数据。
2024-02-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Stochastic density functional theory combined with Langevin dynamics for warm dense matter
本研究拓展了结合朗之万动力学的随机有限温度Kohn-Sham密度泛函理论，提出新型线性标度随机电导率计算方法，揭示了30000K下氢的结构与电导率转变特征。
2024-04-13 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
Thermal and Pressure Ionization in Warm, Dense MgSiO$_3$ Studied with First-Principles Computer Simulations
利用路径积分蒙特卡罗和密度泛函分子动力学（DFT-MD）模拟方法，研究了MgSiO $_3$顽火辉石在暖稠密物质区的性质.我们产生了一个一致的状态方程（EOS），跨越了很宽的温度和密度范围（10 $^4$-10 $^7$ K和6.42- 64.16 g cm $^{-3}$）。导出了冲击Hugoniot曲线，与实验符合得很好。我们确定的边界之间的制度的热电离和压力电离的定位在恒定温度下的内能达到最小值作为密度或压力的函数。在低密度下，随着自由态重量的变化，内能随着密度的增加而减小。热电离占主导地位。相反地，在高密度下，在压力电离状态下，内能随密度增加。我们确定两个制度之间的边界，并表明，压缩最大值沿冲击Hugoniot曲线发生，因为K壳层电子成为热电离，而不是压力电离。
2020-02-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
Assessing the accuracy of hybrid exchange-correlation functionals for the density response of warm dense electrons
我们评估了常见的混合交换相关（XC）泛函（PBE 0，PBE 0 -1/3，HSE 06，HSE 03，和B3 LYP）在Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）中的谐波扰动电子气的准确性，在参数相关的具有挑战性的条件下，温暖的致密物质。在实验室中通过激光诱导压缩和加热产生的温暖致密物质是一种物质状态，也发生在白矮星和行星内部。我们认为弱和强程度的密度不均匀性引起的外场在不同的波数。通过与精确的量子Monte-Carlo结果进行比较，我们进行了误差分析。在弱扰动的情况下，我们报告的静态线性密度响应函数和静态XC内核在金属密度的退化基态极限和部分简并在电子费米温度。总的来说，我们观察到的改进的密度响应的部分简并时，PBE 0，PBE 0 -1/3，HSE 06，和HSE 03的功能相比，以前报道的结果PBE，PBESol，LDA，AM 05，和SCAN的功能; B3 LYP，另一方面，不执行以及所考虑的系统。连同自相互作用误差的减少，这似乎是HSE 03函数在WDM条件下描述铝和液氨实验数据的相对成功背后的基本原理。
2022-11-21 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Stochastic and Mixed Density Functional Theory within the projector augmented wave formalism for the simulation of warm dense matter
本文在投影缀加波形式体系中实现随机与混合DFT，以缓解平面波能量平方标度并改进赝势近似，通过单点和分子动力学计算给出1–50 eV固体密度碳的自扩散系数。
2023-01-27 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.plasm-ph
