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Optical properties of periodic systems within the current-current response framework: pitfalls and remedies

Authors :
Davide Sangalli
Pina Romaniello
Claudio Attaccalite
Myrta Grüning
Jorge Berger
Dipartimento di Fisica (Milano)
Università degli Studi di Milano [Milano] (UNIMI)
European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF)
Groupe Méthodes et outils de la chimie quantique (LCPQ) (GMO)
Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ)
Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM)
Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Queen's University [Belfast] (QUB)
Systèmes de Fermions Finis - Agrégats (LPT)
Laboratoire de Physique Théorique (LPT)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Università degli Studi di Milano = University of Milan (UNIMI)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Sangalli, D, Berger, J A, Attaccalite, C, Gruening, M & Romaniello, P 2017, ' Optical properties of periodic systems within the current-current response framework: pitfalls and remedies ', Physical Review B (Condensed Matter), vol. 95, no. 15, 155203 . https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.155203, Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2017, 95 (15), pp.155203. ⟨10.1103/PhysRevB.95.155203⟩, Physical Review B, Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), 2017, 95 (15), pp.155203. ⟨10.1103/PhysRevB.95.155203⟩
Publication Year :
2017
Publisher :
arXiv, 2017.

Abstract

We compare the optical absorption of extended systems using the density-density and current-current linear response functions calculated within many-body perturbation theory. The two approaches are formally equivalent for a finite momentum $\mathbf{q}$ of the external perturbation. At $\mathbf{q}=\mathbf{0}$, however, the equivalence is maintained only if a small $q$ expansion of the density-density response function is used. Moreover, in practical calculations this equivalence can be lost if one naively extends the strategies usually employed in the density-based approach to the current-based approach. Specifically we discuss the use of a smearing parameter or of the quasiparticle lifetimes to describe the finite width of the spectral peaks and the inclusion of electron-hole interaction. In those instances we show that the incorrect definition of the velocity operator and the violation of the conductivity sum rule introduce unphysical features in the optical absorption spectra of three paradigmatic systems: silicon (semiconductor), copper (metal) and lithium fluoride (insulator). We then demonstrate how to correctly introduce lifetime effects and electron-hole interactions within the current-based approach.<br />Comment: 17 pages, 6 figures

Details

ISSN :
10980121 and 1550235X
Database :
OpenAIRE
Journal :
Sangalli, D, Berger, J A, Attaccalite, C, Gruening, M & Romaniello, P 2017, ' Optical properties of periodic systems within the current-current response framework: pitfalls and remedies ', Physical Review B (Condensed Matter), vol. 95, no. 15, 155203 . https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.155203, Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), American Physical Society, 2017, 95 (15), pp.155203. ⟨10.1103/PhysRevB.95.155203⟩, Physical Review B, Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics (1998-2015), 2017, 95 (15), pp.155203. ⟨10.1103/PhysRevB.95.155203⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....432e9a20ba51ad5bb25abed4fdb497e4
Full Text :
https://doi.org/10.48550/arxiv.1701.06326