Range-separated density-functional theory for molecular excitation energies

par Elisa Rebolini

Thèse de doctorat en Chimie Analytique Physique et Théorique

Sous la direction de Andreas Savin.

Le jury était composé de Andreas Gorling, Lucia Reining, Christian Brouder, Emmanuel Fromager, Trygve Helgaker, Thierry Leininger.

  • Titre traduit

    Théorie de la fonctionnelle de la densité à séparation de portée pour les énergies d'excitation moléculaires


  • Résumé

    La théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) est aujourd'hui une méthode de référence pour le calcul des énergies d'excitation électroniques. Cependant, dans les approximations usuelles, elle n'est pas capable de décrire correctement les excitations de Rydberg, à transfert de charge ou présentant un caractère multiple. La séparation de portée de l'interaction électronique permet de combiner rigoureusement les méthodes fonctionnelles pour décrire la courte portée de l'interaction et les méthodes fonctions d'onde ou fonctions de Green pour la longue portée. Dans cette thèse, les effets de cette séparation de portée sur les énergies d'un système en interaction partielle sont d'abord étudiés le long de la connection adiabatique dans le cas indépendant du temps afin d'aider le développement des méthodes à séparation de portée pour les énergies d'excitation. La séparation de portée est ensuite appliquée dans le cadre de la TDDFT aux noyaux d'échange et de corrélation, où dans le cas d'une approximation monodéterminentale, la longue portée du noyau de corrélation est absente. Afin de prendre en compte l'effet des doubles excitations, un noyau de corrélation de longue portée dépendant de la fréquence est développé en s'inspirant du noyau Bethe-Salpeter. Ce noyau est alors ajouté de façon perturbative au noyau TDDFT à séparation de portée afin de prendre en compte les effets des excitations doubles.


  • Résumé

    Linear-response time-dependent density-functional theory (TDDFT) is nowadays a method of choice to compute molecular excitation energies. However, within the usual adiabatic semi-local approximations, it is not able to describe properly Rydberg, charge-transfer or multiple excitations. Range separation of the electronic interaction allows one to mix rigorously density-functional methods at short range and wave function or Green’s function methods at long range. When applied to the exchange functional, it already corrects most of these deficiencies but multiple excitations remain absent as they need a frequency-dependent kernel. In this thesis, the effects of range separation are first assessed on the excitation energies of a partially-interacting system in an analytic and numerical study in order to provide guidelines for future developments of range-separated methods for excitation energy calculations. It is then applied on the exchange and correlation TDDFT kernels in a single-determinant approximation in which the long-range part of the correlation kernel vanishes. A long-range frequency-dependent second-order correlation kernel is then derived from the Bethe-Salpeter equation and added perturbatively to the range-separated TDDFT kernel in order to take into account the effects of double excitations.


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