diff --git a/book/main.tex b/book/main.tex index b1fbecf..7b86b97 100644 --- a/book/main.tex +++ b/book/main.tex @@ -3647,38 +3647,38 @@ \subsection{TS method} %\subsection{Metoda MBD} -\chapter{Efekty wielociałowe i stany wzbudzone} +\chapter{Many-body effects and excited states} -\section{Funkcje Greena i energia własna} +\section{Green's functions and self-energy} -Dokładny opis stanów elektronowych wymaga wyjścia poza przybliżenie niezależnych cząstek. -Stosując formalizm drugiego kwantowania, zapiszemy hamiltonian układu oddziałujących elektronów -w ogólnej formie +An accurate description of electronic states requires going beyond the independent particle approximation. +Using the second quantization formalism, we write the Hamiltonian of a system of interacting electrons +in the general form % \begin{equation} H=\int d^3r \psi^\dagger(\bm{r},t) h_0(\bm{r}) \psi(\bm{r},t) +\frac{1}{2}\int d^3rd^3r' \psi^\dagger(\bm{r},t)\psi^\dagger(\bm{r}',t)v(\bm{r}-\bm{r}') \psi^\dagger(\bm{r}',t)\psi^\dagger(\bm{r},t), \end{equation} % -gdzie $h_0(x)$ opisuje energię kinetyczną oraz oddziaływanie elektronów z zewnętrznym polem, $v(\bm{r}-\bm{r}')$ jest -potencjałem oddziaływania kulombowskiego między elektronami, a $\psi(\bm{r},t)$ jest operatorem pola w obrazie Heisenberga +where $h_0(x)$ describes the kinetic energy and the interaction of electrons with an external field, $v(\bm{r}-\bm{r}')$ is +the Coulomb interaction potential between electrons, and $\psi(\bm{r},t)$ is the field operator in the Heisenberg picture % \begin{equation} \psi(\bm{r},t)=e^{\frac{i}{\hbar}Ht}\psi(\bm{r})e^{-\frac{i}{\hbar}Ht}. \label{field} \end{equation} % -Operatory pola $\psi^\dagger(\bm{r})$ i $\psi(\bm{r})$ opisują kreacje i anihilację elektronu w punkcie $\bm{r}$. +The field operators $\psi^\dagger(\bm{r})$ and $\psi(\bm{r})$ describe the creation and annihilation of an electron at point $\bm{r}$. -Stan podstawowy $|\Phi_N\rangle$ układu $N$ oddziałujących elektronów spełnia równanie +The ground state $|\Phi_N\rangle$ of a system of $N$ interacting electrons satisfies the equation % \begin{equation} H|\Phi_N\rangle=E|\Phi_N\rangle. \end{equation} % -Dalej zakładamy, że stan podstawowy jest unormowany $\langle\Phi_N|\Phi_N\rangle=1$. +Further, we assume that the ground state is normalized $\langle\Phi_N|\Phi_N\rangle=1$. -W kwantowej teorii układów wielu czastek można powiązać spektrum wzbudzeń z jednocząstkowymi funkcjami Greena, -zwanymi również propagatorami, które definiujemy +In the quantum theory of many-particle systems, the excitation spectrum can be related to single-particle Green's functions, +also called propagators, which we define % \begin{equation} iG(x,x')=\langle \Phi_N|T\psi(x)\psi^\dagger(x')|\Phi_N\rangle=\begin{cases} @@ -3688,39 +3688,39 @@ \section{Funkcje Greena i energia własna} \label{greenf} \end{equation} % -gdzie wprowadzono oznaczenie $x=(\bm{r},t)$, a $T$ jest operatorem uporządkowania w czasie. -Funkcja Greena jest amplitudą prawdopodobieństwa propagacji elektronu z punktu $x'$ do punktu $x$ dla $t>t'$ -lub dziury z punktu $x$ do $x'$ dla $t'>t$. Te dwa przypadki opisują odpowiednio proces fotoemisji i odwrotnej fotoemisji. -Funkcje Greena dla elektronów są macierzami ze względu na spinowe stopnie swobody. Dla uproszczenia zapisu pomijamy -tutaj wskaźniki numerujące stany spinowe. -Zajomość funkcji Green pozwala wyznaczyć energię stanu podstawowego, wartości oczekiwanego jednocząstkowych operatorów -w stanie podstawowym oraz jednoelektronowe spektrum wzbudzeń. -Funkcje Greena spełniaja równanie ruchu +where we introduced the notation $x=(\bm{r},t)$, and $T$ is the time-ordering operator. +The Green's function is the probability amplitude for the propagation of an electron from point $x'$ to point $x$ for $t>t'$ +or a hole from point $x$ to $x'$ for $t'>t$. These two cases describe the processes of photoemission and inverse photoemission spectroscopy, respectively. +Green's functions for electrons are matrices with respect to spin degrees of freedom. For simplicity of notation, we omit +the indices labeling spin states here. +Knowledge of the Green's function allows us to determine the ground state energy, expectation values of single-particle operators +in the ground state, and the single-electron excitation spectrum. +Green's functions satisfy the equation of motion % \begin{equation} [i\frac{\partial}{\partial t}-H_0(x))]G(x,x')-\int dx''\Sigma(x,x'')G(x'',x')=\delta(x-x'), \end{equation} % -gdzie $H_0 =h_0+V_H$ ($V_H$ jest potencjałem Hartree), a $\Sigma$ nosi nazwę energii własnej i opisuje oddziaływania wymienno-korelacyjne. +where $H_0 =h_0+V_H$ ($V_H$ is the Hartree potential), and $\Sigma$ is called the self-energy and describes exchange-correlation interactions. -Dla układu jednorodnego o objętości $V$, funkcję Greena możemy zapisać w formie transformaty Fouriera +For a homogeneous system of volume $V$, the Green's function can be written in the form of a Fourier transform % \begin{equation} G(x,x')=\sum_{\bm{k}}\int\frac{d\omega}{2\pi V}e^{i\bm{k}(\bm{r}-\bm{r}')}e^{-i\omega(t-t')}G(\bm{k},\omega). \label{fourier} \end{equation} % -$G(\bm{k},\omega)$ jest funkcją Greena, która opisuje propagację elektronu o zdefiniowanym wektorze falowym $\bm{k}$. -Rozważmy na początku układ $N$ nieodziałujących elektronów. Operatory pola można zapisać +$G(\bm{k},\omega)$ is the Green's function that describes the propagation of an electron with a defined wave vector $\bm{k}$. +Let us first consider a system of $N$ non-interacting electrons. The field operators can be written as % \begin{equation} \psi(\bm{r})=\frac{1}{V}\sum_{\bm{k}}e^{-i\bm{k}\bm{r}}c_{\bm{k}}, \label{free} \end{equation} % -gdzie $c_{\bm{k}}$ jest operatorem anihilacji electronu, dla którego $c_{\bm{k}}|\Phi_N\rangle=0$. -Odpowiednio $c^\dagger_{k}$ jest operatorem kreacji elektronu o wektorze falowym $\bm{k}$. -Można przedefiniować operatory kreacji i anihilacji wprowadzając osobne oznaczenia dla cząstek i dziur +where $c_{\bm{k}}$ is the electron annihilation operator, for which $c_{\bm{k}}|\Phi_N\rangle=0$. +Correspondingly, $c^\dagger_{k}$ is the electron creation operator with wave vector $\bm{k}$. +We can redefine the creation and annihilation operators by introducing separate notations for particles and holes % \begin{equation} c_{\bm{k}}=\begin{cases} @@ -3728,171 +3728,171 @@ \section{Funkcje Greena i energia własna} b^\dagger_{-\bm{k}} & k\bm{k}_F}\hbar\omega_{\bm{k}} a^\dagger_{\bm{k}}a_{\bm{k}}-\sum_{\bm{k}<\bm{k}_F}\hbar\omega_{\bm{k}} b^\dagger_{\bm{k}}b_{\bm{k}}+\sum_{\bm{k}<\bm{k}_F}\hbar\omega_{\bm{k}}. \end{equation} % -Wykorzystując wzory (\ref{free}) i (\ref{field}) otrzymujemy zależność dla funkcji Greena swobodnych elektronów +Using formulas (\ref{free}) and (\ref{field}), we obtain the relation for the Green's function of free electrons % \begin{equation} iG_0(x,x')=\frac{1}{(2\pi)^3}\int d^3k e^{i\bm{k}(\bm{r}-\bm{r}')}e^{-i\omega_{\bm{k}}(t-t')}[\theta(t-t')\theta(k-k_F)-\theta(t'-t)\theta(k_F-k)]. \end{equation} % -gdzie sumowanie po stanach $\bm{k}$ zostało zamienione na całkę. -Funkcję schodkową $\theta(t-t')$ można zapisać przy pomocy wzoru +where the summation over states $\bm{k}$ has been replaced by an integral. +The step function $\theta(t-t')$ can be written using the formula % \begin{equation} \theta(t-t')=-\int_{-\infty}^{\infty}\frac{d\omega}{2\pi i}\frac{e^{-i\omega(t-t')}}{\omega+i\eta}=\begin{cases}1 & t>t',\\0 & tk_F$) -dostajemu wzór na funkcję Greena +Combining this formula with expression (\ref{G0}) for free electrons ($k>k_F$), +we obtain the formula for the Green's function % \begin{equation} G(\bm{k},\omega)=\frac{1}{\omega-\omega_{\bm{k}}-\Sigma_{\bm{k}}(\omega)}. \end{equation} % -Z tego wzoru wynika, że jednocząstkowe stany o energii $\omega_{\bm{k}}$ są modyfikowane zarówno -przez rzeczywistą część energii własnej, która przesuwa wartości energii, jak również przez -jej część urojoną. +From this formula, it follows that single-particle states with energy $\omega_{\bm{k}}$ are modified both +by the real part of the self-energy, which shifts the energy values, as well as by +its imaginary part. -Znając funkcję Greena można wyznaczyć funkcję spektralną, która opisuje widmo energetyczne elektronów w funkcji wektora falowego, -wyznaczane w pomiarach metodą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES). -Funkcja spektralna wyznaczana jest części urojonej funkcji Greena +Knowing the Green's function, we can determine the spectral function, which describes the energy spectrum of electrons as a function of wave vector, +measured in experiments by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). +The spectral function is determined from the imaginary part of the Green's function % \begin{equation} A_{\bm{k}}(\omega)=\frac{1}{\pi}|\text{Im} G_{\bm{k}}(\omega)|=\frac{1}{\pi}\frac{|\text{Im} \Sigma_{\bm{k}}(\omega)|}{[\omega-\omega_{\bm{k}}-\text{Re} \Sigma_{\bm{k}}(\omega)]^2+[\text{Im} \Sigma_{\bm{k}}(\omega)]^2}. \end{equation} % -Dla układu nieoddziałujących elektronów ($\Sigma=0$) funkcja spektralna składa się z delt Diraca w położeniach, -które odpowiadają energiom $\omega_{\bm{k}}$. -Część rzeczywista energii własnej powoduje przesunięcie energii elektronów +For a system of non-interacting electrons ($\Sigma=0$), the spectral function consists of Dirac delta functions at positions +corresponding to energies $\omega_{\bm{k}}$. +The real part of the self-energy causes a shift in electron energies % \begin{equation} \varepsilon_{\bm{k}}=\omega_{\bm{k}}+\Sigma_{\bm{k}}(\varepsilon_{\bm{k}}), \label{e_k} \end{equation} % -natomiast część urojona powoduje poszerzenie pików, co związane jest z redukcją czasu życia stanów elektronowych. -Jeżeli część urojona powoduje tylko niewielkie zaburzenie, istnieje jednoznaczna relacja między stanami -elektronów swobodnych i elektronów oddziałujących. Takie stany elektronowe lub dziurowe, które występują blisko energii Fermiego nazywamy {\it kwasicząstkami}. -Przy zbliżaniu się do poziomu Fermiego czas życia stanów elektronów rośnie ze względu na zmniejszajacą się ilość dostępnych stanów do których elektron -może się rozproszyć. +while the imaginary part causes broadening of the peaks, which is related to the reduction of the lifetime of electronic states. +If the imaginary part causes only a small perturbation, there is an unambiguous relationship between the states +of free electrons and interacting electrons. Such electronic or hole states that occur near the Fermi energy are called {\it quasiparticles}. +When approaching the Fermi level, the lifetime of electron states increases due to the decreasing number of available states to which an electron +can scatter. -Blisko energii Fermiego część rzeczywista energii wałsnej zależy liniowo od energii i można ją rozwinąć do liniowego wyrazu +Near the Fermi energy, the real part of the self-energy depends linearly on energy and can be expanded to the linear term % \begin{equation} \text{Re} \Sigma_{\bm{k}}(\omega)=\text{Re} \Sigma_{\bm{k}}(\omega_{\bm{k}})+(\omega-\omega_{\bm{k}})\frac{\partial\text{Re}\Sigma_{\bm{k}}(\omega)}{\partial\omega}\Big{|}_{\omega=\omega_{\bm{k}}}. \end{equation} % -Wprowadzając czynnik renormalizacyjny, który jest miarą charakteryzującą spektrum kwasicząstek +Introducing the renormalization factor, which is a measure characterizing the quasiparticle spectrum % \begin{equation} Z_{\bm{k}}=\frac{1}{1-\frac{\partial\text{Re}\Sigma_{\bm{k}}(\omega)}{\partial\omega}\Big{|}_{\omega=\omega_{\bm{k}}}} \end{equation} % -możemy zapisać wzór na energię (\ref{e_k}) w postaci +we can write the energy formula (\ref{e_k}) in the form % \begin{equation} \varepsilon_{\bm{k}}=\omega_{\bm{k}}+Z_{\bm{k}}\text{Re}\Sigma_{\bm{k}}(\omega_{\bm{k}}). \end{equation} % -Również gęstość spektralną kwasicząstek można przybliżyć wzorem +The spectral density of quasiparticles can also be approximated by the formula % \begin{equation} A_{\bm{k}}(\omega)=Z_{\bm{k}}\frac{Z_{\bm{k}}\text{Im}\Sigma_{\bm{k}}(\varepsilon_{\bm{k}})}{(\omega-\varepsilon_{\bm{k}})^2+[Z_{\bm{k}}\text{Im}\Sigma_{\bm{k}}(\varepsilon_{\bm{k}})]^2}, \end{equation} % -która ma kształt linii Lorentza w położeniu $\varepsilon_{\bm{k}}$, szerokości $Z_{\bm{k}}\text{Im}\Sigma_{\bm{k}}(\varepsilon_{\bm{k}})$ -i amplitudzie $Z_{\bm{k}}$, nazywanej również wagą sprektralna kwasiczastek. $Z_{\bm{k}}$ określa m.in. natężenie (amplitudę) rozpraszania fotoemisyjnego, -zmianę masy efektywnej kwazicząstek, jak również skok w obsadzeniu stanów na powierzchni Fermiego. -Dla układu, w którym część rzeczywista energii własnej nie zależy od energii $Z_{\bm{k}}=1$, ta nieciągłość pokrywa się z rozkładem Fermiego-Diraca dla $T=0$. -Energie kwasiczastek, które są funkcjami wektorów falowych, określają strukturę pasmową materiału. -W układach silnie skorelowanych część gęstości spektralnej przekazywana jest do stanów leżących dalej od poziomu Fermiego -i pojawiają się dodatkowe struktury (satelity), których nie da się zinterpretować jako wzbudzenia kwasicząstek. +which has the shape of a Lorentzian line at position $\varepsilon_{\bm{k}}$, width $Z_{\bm{k}}\text{Im}\Sigma_{\bm{k}}(\varepsilon_{\bm{k}})$ +and amplitude $Z_{\bm{k}}$, also called the quasiparticle spectral weight. $Z_{\bm{k}}$ determines, among other things, the intensity (amplitude) of photoemission scattering, +the change in the effective mass of quasiparticles, as well as the discontinuity in occupation at the Fermi surface. +For a system where the real part of the self-energy does not depend on energy, $Z_{\bm{k}}=1$, this discontinuity coincides with the Fermi-Dirac distribution at $T=0$. +Quasiparticle energies, which are functions of wave vectors, determine the band structure of the material. +In strongly correlated systems, part of the spectral density is transferred to states lying farther from the Fermi level +and additional structures (satellites) appear that cannot be interpreted as quasiparticle excitations. -\section{Teoria perturbacyjna} +\section{Perturbation theory} -Podstawowe podejście stosowane w teorii pola opiera się na rozwinięciu perturbacyjnym funkcji Greena~\cite{AGD}. -Najwygodniejszym jest tutaj obraz oddziaływania, w którym hamiltonian zapisany jest w formie +The basic approach used in field theory is based on the perturbative expansion of the Green's function~\cite{AGD}. +The most convenient here is the interaction picture, in which the Hamiltonian is written in the form % \begin{equation} H(t)=H_0+V_\text{I}(t), \end{equation} % -gdzie pierwszy wyraz opisuje układ swobodnych elektronów, a drugi jest zależnym od czasu operatorem oddziaływania +where the first term describes the system of free electrons, and the second is the time-dependent interaction operator % \begin{equation} V_\text{I}(t)=\frac{1}{2}\int d\bm{r}\int d\bm{r}'\psi_\text{I}^\dagger(\bm{r},t)\psi_\text{I}^\dagger(\bm{r}',t)v(\bm{r},\bm{r}') \psi_\text{I}(\bm{r}',t)\psi_\text{I}(\bm{r},t). \end{equation} % -Występujace w tym wyrażeniu operatory pola otrzymujemy przez transformację +The field operators appearing in this expression are obtained through the transformation % \begin{equation} \psi_\text{I}(\bm{r},t)=e^{iH_0(t-t_0)}\psi(\bm{r})e^{-iH_0(t-t_0)}. \end{equation} % -W obrazie oddziaływania, ewolucja stanów opisana jest zależnością +In the interaction picture, the evolution of states is described by the relation % \begin{equation} |t\rangle=U_\text{I}(t,t_0)|t_0\rangle, \end{equation} -gdzie operator ewolucji może być zapisany w postaci szeregu +where the evolution operator can be written as a series % \begin{equation} U_\text{I}=1+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n!}\int_{t_0}^tdt_1...\int_{t_0}^tdt_nT\Big{[}V_\text{I}(t_1)...V_\text{I}(t_n)\Big{]}. \end{equation} % -Wykorzystując ten operator i wprowadzając oznaczenie $S=U_\text{I}(\infty,-\infty)$ -możemy zapisać funkcję Greena w postaci rozwinięcia +Using this operator and introducing the notation $S=U_\text{I}(\infty,-\infty)$, +we can write the Green's function in the form of an expansion % \begin{equation} G(x,x')=-i\frac{\langle\Phi_0|T[\psi(x)\psi^{\dagger}(x')S]|\Phi_0\rangle}{\langle\Phi_0|S|\Phi_0\rangle}, \end{equation} % -gdzie $|\Phi_0\rangle$ jest stanem podstawowym dla układu nieoddziałujących elektronów opisanego hamiltonianem $H_0$. -Występujące w tym szeregu wyrazy można wyrazić przy pomocy funkcji Greena i wyrazów opisujących oddziaływania kulombowskie. -Prowadzi to do wzoru, który można zapisać w zwartej formie przy pomocy sumy wyznaczników +where $|\Phi_0\rangle$ is the ground state for the system of non-interacting electrons described by the Hamiltonian $H_0$. +The terms appearing in this series can be expressed using the Green's function and terms describing Coulomb interactions. +This leads to a formula that can be written in compact form using a sum of determinants % \begin{equation} G(x,x')=\sum_{n=0}^\infty i^n\int v(x_1,x_1')...v(x_n,x'_n)\begin{vmatrix} @@ -3903,22 +3903,22 @@ \section{Teoria perturbacyjna} \end{vmatrix}. \end{equation} % -Każdy z wyrazów rozwinięcia można otrzymać stosując metodę diagramów Feynmana opisaną szczegółowo w wielu podręcznikach \cite{AGD,FW,martin2}. +Each term of the expansion can be obtained using the Feynman diagram method described in detail in many textbooks \cite{AGD,FW,martin2}. -\section{Metoda GW} +\section{The GW method} \label{sec:gw} -Energię własną można powiązać z funkcją Greena +The self-energy can be related to the Green's function % \begin{equation} \Sigma(x_1,x_2)=i\int dx_3dx_4 G(x_1,x_3)W(x_1,x_4)\Lambda(x_3,x_2,x_4). \end{equation} % -$W$ jest ekranowanym potencjałem kulombowskim +$W$ is the screened Coulomb potential % \begin{equation} W(x_1,x_2)=\int dx_3\epsilon^{-1}(x_1,x_3)V(\bm{r}_3-\bm{r}_2), @@ -3928,8 +3928,8 @@ \section{Metoda GW} \epsilon^{-1}(x_1,x_2)=\frac{\delta V(x_1)}{\delta \phi(x_2)}, \end{equation} % -gdzie $V$ jest sumą potencjału Hartree $V_H$ i potencjału zewnętrznego $\phi$. -$\Lambda$ jest funkcją wierzchołkową +where $V$ is the sum of the Hartree potential $V_H$ and the external potential $\phi$. +$\Lambda$ is the vertex function % \begin{equation} \Lambda(x_1,x_2,x_3) = -\frac{\delta G^{-1}(x_1)}{\delta V(x_3)}.