Variational minimization scheme for the one-particle reduced density matrix functional theory in the ensemble N-representability domain (2405.10593v2)
Abstract: The one-particle reduced density-matrix (1-RDM) functional theory is a promising alternative to density-functional theory (DFT) that uses the 1-RDM rather than the electronic density as a basic variable. However, long-standing challenges such as the lack of Kohn--Sham scheme and the complexity of the pure $N$-representability conditions are still impeding its wild utilization. Fortunately, ensemble $N$-representability conditions derived in the natural orbital basis are known and trivial, such that almost every functionals of the 1-RDM are actually natural orbital functionals which do not perform well for all the correlation regimes. In this work, we propose a variational minimization scheme in the ensemble $N$-representable domain that is not restricted to the natural orbital representation of the 1-RDM. We show that splitting the minimization into the diagonal and off-diagonal part of the 1-RDM can open the way toward the development of functionals of the orbital occupations, which remains a challenge for the generalization of site-occupation functional theory in chemistry. Our approach is tested on the uniform Hubbard model using the M\"uller and the T\"ows--Pastor functionals, as well as on the dihydrogen molecule using the M\"uller functional.
- P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
- W. Kohn and L. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
- N. Mardirossian and M. Head-Gordon, Mol. Phys. 115, 2315 (2017).
- C. J. Cramer and D. G. Truhlar, Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 10757 (2009).
- P.-O. Löwdin, Phys. Rev. 97, 1474 (1955).
- T. L. Gilbert, Phys. Rev. B 12, 2111 (1975).
- A. J. Coleman, Rev. Mod. Phys. 35, 668 (1963).
- D. T. Haar, Rep. Prog. Phys. 24, 304 (1961).
- M. Piris and K. Pernal, Phys. Rev. A 96, 046501 (2017).
- M. Altunbulak and A. Klyachko, Commun. Math. Phys. 282, 287 (2008).
- A. J. Coleman, J. Math. Phys. 13, 214 (1972).
- S. M. Valone, J. Chem. Phys. 73, 1344 (1980).
- A. M. K. Müller, Phys. Lett. A 105, 446 (1984).
- G. Csányi and T. A. Arias, Phys. Rev. B 61, 7348 (2000).
- M. A. Buijse and E. J. Baerends, Mol. Phys. 100, 401 (2002).
- S. Goedecker and C. J. Umrigar, Phys. Rev. Lett. 81, 866 (1998).
- A. Holas, Phys. Rev. A 59, 3454 (1999).
- J. Cioslowski and K. Pernal, J. Chem. Phys. 111, 3396 (1999).
- M. Piris and P. Otto, Int. J. Quantum Chem. 94, 317 (2003).
- M. Piris, Recent Res. Devel. Quantum Chem. 4, 1 (2004).
- P. Leiva and M. Piris, J. Mol. Struct. THEOCHEM 719, 63 (2005).
- M. Piris, Int. J. Quantum Chem. 106, 1093 (2006).
- M. Piris and J. M. Ugalde, J. Comput. Chem. 30, 2078 (2009).
- M. Piris, Int. J. Quantum Chem. 113, 620 (2013).
- M. Piris and J. M. Ugalde, Int. J. Quantum Chem. 114, 1169 (2014).
- W. Kutzelnigg and D. Mukherjee, J. Chem. Phys. 110, 2800 (1999).
- M. Piris, Phys. Rev. Lett. 127, 233001 (2021).
- K. Pernal, Phys. Rev. Lett. 94, 233002 (2005).
- S. Goedecker and L. Colombo, Phys. Rev. Lett. 73, 122 (1994).
- T. Baldsiefen and E. K. U. Gross, Comput. Theor. Chem. 1003, 114 (2013).
- J. Wang and E. J. Baerends, Phys. Rev. Lett. 128, 013001 (2022).
- E. Cancès and K. Pernal, J. Chem. Phys. 128, 134108 (2008).
- O. Gunnarsson and K. Schönhammer, Phys. Rev. Lett. 56, 1968 (1986).
- E. Fromager, Mol. Phys. 113, 419 (2015).
- J. P. Coe, Phys. Rev. B 99, 165118 (2019).
- N. G. Cartier and K. J. H. Giesbertz, J. Chem. Theory Comput. (2024).
- W. Töws and G. M. Pastor, Phys. Rev. B 83, 235101 (2011).
- W. Töws and G. M. Pastor, Phys. Rev. B 86, 245123 (2012).
- E. H. Lieb and F. Y. Wu, Phys. Rev. Lett. 20, 1445 (1968).
- H. Shiba, Phys. Rev. B 6, 930 (1972).
- M. Rodriguez-Mayorga, Standalone NOFT module (1.0). Zenodo (2022), 10.5281/zenodo.7352733.
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.