C++ Eigen3实现Hatree

结合之前Matlab设计出来的向量化算法,实现了Hatree-Fork算法

Hatree-Fork计算过程

1void Hatree_Fork(std::vector<double> &ks,Eigen::MatrixXd N_up_avg, Eigen::MatrixXd N_down_avg, int ncc){ 2 auto I = Eigen::MatrixXd::Identity(2*N,2*N); 3 int nk = ks.size(); 4 std::ofstream out("N_avg.txt"); 5 while(ncc--){ 6 auto N_up_avg_tmp = Eigen::MatrixXd(N_up_avg); 7 auto N_down_avg_tmp = Eigen::MatrixXd(N_down_avg); 8 9 for(auto k:ks){ 10 auto H0 = Hamiltonian0(k); 11 auto Hk_up = H0 + U*N_down_avg -0.5*U*I; 12 auto Hk_down = H0 + U*N_up_avg -0.5*U*I; 13 Eigen::SelfAdjointEigenSolver<Eigen::MatrixXcd> eigensolver_up(Hk_up); 14 Eigen::SelfAdjointEigenSolver<Eigen::MatrixXcd> eigensolver_down(Hk_down); 15 auto Ek_up = eigensolver_up.eigenvalues(); 16 auto Ak_up = eigensolver_up.eigenvectors(); 17 auto Ek_down = eigensolver_down.eigenvalues(); 18 auto Ak_down = eigensolver_down.eigenvectors(); 19 20 21 auto Fermi_up = Fermi(Ek_up).transpose().replicate<2*N,1>(); 22 auto Fermi_down = Fermi(Ek_down).transpose().replicate<2*N,1>(); 23 auto Nk_up_tmp = Ak_up.array()*Ak_up.conjugate().array()*Fermi_up.array(); 24 auto Nk_down_tmp = Ak_down.array()*Ak_down.conjugate().array()*Fermi_down.array(); 25 auto Nk_up_vector = Eigen::MatrixXd(Nk_up_tmp.rowwise().sum().real()); 26 auto Nk_down_vector = Eigen::MatrixXd(Nk_down_tmp.rowwise().sum().real()); 27 28 auto Nk_up = Eigen::MatrixXd(Nk_up_vector.asDiagonal()); 29 auto Nk_down = Eigen::MatrixXd(Nk_down_vector.asDiagonal()); 30 N_up_avg_tmp += Nk_up; 31 N_down_avg_tmp += Nk_down; 32 } 33 N_up_avg = Eigen::MatrixXd(N_up_avg_tmp/nk); 34 N_down_avg = Eigen::MatrixXd(N_down_avg_tmp/nk); 35 } 36 //out<<2*N<<std::endl; 37 out<<N_up_avg.diagonal()<<std::endl; 38 out<<N_down_avg.diagonal()<<std::endl; 39}

向量化的费米函数实现:

1Eigen::VectorXd Fermi(Eigen::VectorXd E){ 2 auto x = beta*(E.array()-mu); 3 auto f = (x.exp()+1).pow(-1); 4 return Eigen::VectorXd(f); 5}

能带计算函数

1void calculated_band(std::vector<double>& ks,Eigen::MatrixXd N_up_avg, Eigen::MatrixXd N_down_avg){ 2 std::ofstream out("Ek.txt"); 3 auto I = Eigen::MatrixXd::Identity(2*N,2*N); 4 int kn = ks.size(); 5 out<<kn<<std::endl; 6 for(auto k:ks){ 7 auto H0 = Hamiltonian0(k); 8 auto Hk_up = H0 + U*N_down_avg-0.5*U*I; 9 auto Hk_down = H0 + U*N_up_avg -0.5*U*I; 10 Eigen::SelfAdjointEigenSolver<Eigen::MatrixXcd> eigensolver_up(Hk_up); 11 Eigen::SelfAdjointEigenSolver<Eigen::MatrixXcd> eigensolver_down(Hk_down); 12 out << k << std::endl; 13 out << eigensolver_up.eigenvalues().transpose() << std::endl; 14 out << eigensolver_down.eigenvalues().transpose() << std::endl; 15 } 16}

单粒子格林函数实现:

1Eigen::MatrixXcd Green_Function(double k, double omega, Eigen::MatrixXd N_avg){ 2 // 1/(z-H(k)) 3 auto I = Eigen::MatrixXd::Identity(2*N,2*N); 4 auto H0 = Hamiltonian0(k); 5 auto Hk = H0 + U*N_avg -0.5*U*I; 6 auto z = omega + std::complex<double>(0,delta); 7 auto Gk = Eigen::MatrixXcd((z*I-Hk).inverse()); 8 return Gk; 9}
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