論文の概要: Electronic excitations of the charged nitrogen-vacancy center in diamond obtained using time-independent variational density functional calculations

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2303.03838v3
• Date: Thu, 13 Jul 2023 15:27:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-07-14 20:02:21.399942
• Title: Electronic excitations of the charged nitrogen-vacancy center in diamond obtained using time-independent variational density functional calculations
• Title（参考訳）: 時間非依存変動密度関数計算によるダイヤモンド中の荷電窒素空孔中心の電子励起
• Authors: Aleksei V. Ivanov, Yorick L. A. Schmerwitz, Gianluca Levi, Hannes J\'onsson
• Abstract要約: 直接軌道最適化法を用いてダイヤモンドの原型欠陥の変動密度関数計算を行う。 結果は、高レベルの多体計算と、利用可能な実験的な見積もりと非常によく一致している。 このアプローチは、固体中の点欠陥の電子的励起を研究するための有望なツールである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Elucidation of the mechanism for optical spin initialization of point defects in solids in the context of quantum applications requires an accurate description of the excited electronic states involved. While variational density functional calculations have been successful in describing the ground state of a great variety of systems, doubts have been expressed in the literature regarding the ability of such calculations to describe electronic excitations of point defects. A direct orbital optimization method is used here to perform time-independent, variational density functional calculations of a prototypical defect, the negatively charged nitrogen-vacancy center in diamond. The calculations include up to 511 atoms subject to periodic boundary conditions and the excited state calculations require similar computational effort as ground state calculations. Contrary to some previous reports, the use of local and semilocal density functionals gives the correct ordering of the low-lying triplet and singlet states, namely ${}^{3}A_2 < {}^{1}E < {}^{1}A_1 < {}^{3}E$. Furthermore, the more advanced meta generalized gradient approximation functionals give results that are in remarkably good agreement with high-level, many-body calculations as well as available experimental estimates, even for the excited singlet state which is often referred to as having multireference character. The lowering of the energy in the triplet excited state as the atom coordinates are optimized in accordance with analytical forces is also close to the experimental estimate and the resulting zero-phonon line triplet excitation energy is underestimated by only 0.15 eV. The approach used here is found to be a promising tool for studying electronic excitations of point defects in, for example, systems relevant for quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 量子応用における固体中の点欠陥の光スピン初期化機構の解明には、関連する励起電子状態の正確な記述が必要である。 変分密度関数計算は様々なシステムの基底状態を記述することに成功しているが、そのような計算が点欠陥の電子的励起を記述する能力について、文献で疑問が呈されている。 ここで直接軌道最適化法を用いて、ダイヤモンド中の負の荷電窒素空隙中心である原型欠陥の時間に依存しない変分密度汎関数計算を行う。 計算は周期境界条件下で最大511個の原子を含み、励起状態計算は基底状態計算と同様の計算作業を必要とする。 以前の報告とは対照的に、局所的および半局所的な密度汎関数の使用は、低次の三重項状態と一重項状態、すなわち${}^{3}A_2 < {}^{1}E < {}^{1}A_1 < {}^{3}E$の正しい順序を与える。 さらに、より高度なメタ一般化勾配近似関数は、高レベルな多体計算と驚くほどよく一致した結果を与えるだけでなく、しばしばマルチ参照特性を持つような励起一重項状態に対しても利用可能な実験推定値を与える。 原子座標が解析力に応じて最適化されるときの三重項励起状態におけるエネルギーの低下も実験的な見積もりに近く、結果として生じるゼロフォノン線三重項励起エネルギーはわずか0.15eVで過小評価される。 ここで用いられるアプローチは、例えば量子技術に関連するシステムにおける点欠陥の電子的励起を研究するための有望なツールである。

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