1. Numerical quadrature in the Brillouin zone for periodic Schrödinger operators
- Author
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David Gontier, Antoine Levitt, Eric Cancès, Damiano Lombardi, Virginie Ehrlacher, Centre d'Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique (CERMICS), École des Ponts ParisTech (ENPC), MATHematics for MatERIALS (MATHERIALS), École des Ponts ParisTech (ENPC)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Université Paris sciences et lettres (PSL), Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Numerical simulation of biological flows (REO), Sorbonne Université (SU)-Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Centre d'Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique ( CERMICS ), École des Ponts ParisTech ( ENPC ), MATHematics for MatERIALS ( MATHERIALS ), École des Ponts ParisTech ( ENPC ) -École des Ponts ParisTech ( ENPC ) -Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ), Numerical simulation of biological flows ( REO ), Laboratoire Jacques-Louis Lions ( LJLL ), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Inria de Paris, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), PSL Research University (PSL), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre d'Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique (CERMICS), and École des Ponts ParisTech (ENPC)-École des Ponts ParisTech (ENPC)
- Subjects
Computation ,[ PHYS.COND.CM-MS ] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci] ,FOS: Physical sciences ,010103 numerical & computational mathematics ,Classification of discontinuities ,01 natural sciences ,symbols.namesake ,[ MATH.MATH-AP ] Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP] ,FOS: Mathematics ,[MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP] ,Mathematics - Numerical Analysis ,0101 mathematics ,Mathematics ,Condensed Matter - Materials Science ,Applied Mathematics ,Numerical analysis ,Mathematical analysis ,Materials Science (cond-mat.mtrl-sci) ,[ MATH.MATH-NA ] Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA] ,Numerical Analysis (math.NA) ,Numerical integration ,Quadrature (mathematics) ,010101 applied mathematics ,Brillouin zone ,Computational Mathematics ,symbols ,[PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci] ,Ground state ,Schrödinger's cat ,[MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA] - Abstract
International audience; As a consequence of Bloch's theorem, the numerical computation of the fermionic ground state density matrices and energies of periodic Schrodinger operators involves integrals over the Brillouin zone. These integrals are difficult to compute numerically in metals due to discontinuities in the integrand. We perform an error analysis of several widely-used quadrature rules and smearing methods for Brillouin zone integration. We precisely identify the assumptions implicit in these methods and rigorously prove error bounds. Numerical results for two-dimensional periodic systems are also provided. Our results shed light on the properties of these numerical schemes, and provide guidance as to the appropriate choice of numerical parameters.
- Published
- 2020
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