Electronic states in a crystal can localize due to strong electron-phonon (e-ph) interactions, forming so-called small polarons. Methods to predict the formation and energetics of small polarons are either computationally costly or not geared toward quantitative predictions. Here we show a formalism based on canonical transformations to compute the polaron formation energy and wavefunction using ab initio e-ph interactions. Comparison of the calculated polaron and band edge energies allows us to determine whether charge carriers in a material favor a localized small polaron over a delocalized Bloch state. Due to its low computational cost, our approach enables efficient studies of the formation and energetics of small polarons, as we demonstrate by investigating electron and hole polaron formation in alkali halides and metal oxides and peroxides. We outline refinements of our scheme and extensions to compute transport in the polaron hopping regime.
Improving Li$_2$O$_2$ conductance via polaron preemption: an \textit{ab initio} study of Si doping
本文报道了Li $_2$ O $_2$的\textit{ab initio}电子结构模拟，其中1.6%的锂原子被硅取代。结果表明，这导致了Li $_2$ O $_2$带隙中导电杂质态的形成.我们表明，这些国家起源于反键轨道的氧对，是非常稳定的对可能的极化子形成（电子注入后）。通过这种极化子抢占机制，预期所提出的化合物显示出比化学计量的Li $_2$ O $_2$显著更高的电子迁移率，这可能在锂-空气电池中具有重要的应用。
Ab initio self-consistent many-body theory of polarons at all couplings
我们提出了一个理论框架来描述极化子的第一性原理内的多体格林函数形式主义。从一般的电子-声子哈密顿量出发，导出了自洽的Dyson方程，其中声子介导的自能由两个不同的项组成。一项是Fan-Migdal自能，描述了动态的电子-声子过程，另一项是极化基态原子核的静态位移对自能的新贡献。本理论的最低阶近似产生了大极化子极限下电子-声子相互作用的标准多体微扰理论方法，以及[Sio et al.，Phys. Rev. B 99，235139（2019）; Phys. Rev. Lett. 122，246403（2019）]在小极化子的极限。一个实用的配方，以实现目前的统一形式主义的第一性原理计算的概述。我们将我们的方法应用于Fröhlich模型，并获得非常准确的极化子能量在所有的耦合，符合费曼的极化子理论和图解Monte Carlo计算。我们还恢复了著名的结果Fröhlich和Pekar在弱耦合和强耦合，分别。本方法能够预测多体计算极化子在真实材料中的所有耦合。
Ab Initio Prediction of Excited State and Polaron Effects in Transient XUV Measurements of $α$-Fe$_2$O$_3$
瞬态X射线和极紫外（XUV）光谱已成为研究光激发动力学的宝贵工具，由于它们对载流子占据和局部化学或结构变化的敏感性。$α$ -Fe $_2$ O $_3$是利用瞬态XUV光谱研究最多的材料之一，因为它具有丰富的光激发动力学，包括小极化子的形成。在$α$ $_2$ O $_3$中载流子和极化子效应的解释目前是使用半经验方法完成的，该方法不能转移到大多数材料。在这里，从头算，贝特-萨尔彼得方程（BSE）的方法，可以将光激发态效应的任意材料系统的开发。通过计算$α$ -Fe $_2$ O $_3$的基态、光激发态和极化子态的XUV吸收光谱证明了这种方法的准确性。此外，理论方法允许的核心价激子和不同的组件的X射线跃迁哈密顿到能带结构的投影，提供新的见解旧的测量。从这些信息中，可以建立关于瞬态XUV光谱的起源和性质的物理直觉。提取电子和空穴能量的路线，甚至显示出可能的高度角动量分裂XUV峰。这种方法很容易推广到K，L，M和N边缘，提供了一个通用的方法来分析瞬态X射线吸收或反射数据。
Combining experiments on luminescent centres in hexagonal boron nitride with the polaron model and ab initio methods towards the identification of their microscopic origin
Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校奥登计算工程与科学研究所）；Department of Physics, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）；Department of Physics, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学物理系）
A polaron cloud of correlated electron states in ceria
本文采用从头算单电子理论和多体物理相结合的方法研究了氧化铈的电子结构，重点研究了铈离子4f电子层的性质。我们建议使用的杂交功能作为一个方便的措施，该材料的4f壳的本地化程度，并观察到，改变氧化态的4f壳和配体状态之间的杂交的明显变化。该理论揭示了CeO $_2$具有基本上巡回的4f态，并且在氧化铈的最少氧化形式Ce $_2$ O $_3$中，4f态几乎（但不是完全）局域化。最重要的是，我们的模型指出，在氧化铈中的氧空位的扩散可以被看作是极化子跳跃，涉及相关的4f电子云，这是主要位于周围的空位的原子壳的Ce离子。
Nonlinear electron-phonon interactions from first principles
Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校奥登计算工程与科学研究所）；Department of Physics, The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）
