简介/John P Perdew

JohnPPerdew教授于1943年8月30日出生于马里兰州西部的Appalachian地区，他从小在小城Cumberland长大，其父母PaulPerdewandElmaCarrPerdew都是教师。在Allegany中学时期，良好的数学基础使他确信“总有方法能够证明一些事情”。在NationalMeritScholarship资助下，JohnPerdew就读于宾西法尼亚的Gettysburg大学，导师为RichardMara,在ProfMara的精心指导下，年轻的john对于能将数学精确证明与物理存在相统一的Physics产生了极大的兴趣。1965－1971年，John在Conell大学攻读博士学位，对于大部分年轻人而言，那是一个混乱的年代，但对John而言，确实是充满挑战性的几年，他需要通过博士学位的课程，其次还要为博士论文研究耗费经历，找到问题，解决问题。在此期间他的论文导师JohnWilkins和老师NeilAshcroftandDavidMermin将其逐渐引入了凝聚态物理学科。博士毕业后，Wilkins让John采用理论化学的方法解释hemoglobin产生O2的协同作用，这也是John第一采用理论化学方法进行研究，但当时他所学习的入门化学知识，根本是无法应付如此复杂而庞大的体系。在John攻读博士期间，当时固体物理学理论计算主要是沿用Hartree－Fock的理论，其他一些物理学家和化学家则试图对局域密度近似和SlaterXa进行改进，John对于这些领域当时并不知晓多少，1964年和1965年，WalterKohn，L.J.Sham和Hohenberg等创立了密度泛函理论，John第一看到这些文章已经是他1971－1974年在Canda的Toronto跟随SyVsoko进行博士后研究期间。1974－1977年在Rutgers大学，John跟随DavidLangreth做第二个博士后研究，这时候John确信，DFT是一个很精彩的理论，但他还需要改进和提高。1970年代末，对于物理学专业的博士生而言是一个就业前景极为惨淡的时期，在博士后最后的几年，John向外面发出了数百封的求职信，结果是大部分甚至连面试机会也没有。他当时甚至申请了NewOrealens的TulaneUniversity一个物理实验室的职位，1977年他被TulaneUniversity雇用了。JohnPPerdew在路易斯安娜洲的NewOrleansTulaneUniversity度过了30多年的美好时光，在此期间发展和改进了DFT的理论及其算法，创立了多个著名的泛函形式，诸如PW91，CA－PZ，PBE，TPSS。提出了Vxc函数JacobbLadder概念，创立了DFT理论Vxc的解析学派。DFT理论的解析学派将交换-关联能近似泛函按照电子密度梯度展开的阶数进行分类，目前总共有5类，每上一个Jacob阶梯，泛函将包含更多的自由度和更高阶的电子密度梯度形式，比如电子密度梯度，电子密度梯度的平方或者Laplacian。处于Jacob阶梯最低阶的泛函称之为局域密度近似（localdensityapproximation,LDA),上世纪80年代初JohnPerdew与Zunger合作提出了第一可用于实际原子，分子，固体结构计算的交换-关联能泛函，即Perdew-Zunger（PZ），该泛函基本上从均匀电子气密度分布模型为出发点，结合了Monte-Carlo对该体系总能量数值计算的结果，对泛函本身的一些参数进行了数值拟合。PZ泛函成功的用于计算分子，原子以及固体结构的基态性质，但主要问题是对于分子，固体结构结合能（cohesiveenergy）以及生成焓（formationenthalpy）存在高估，或者称之为overbinding问题，目前认为LDA泛函其交换-关联孔分布对于凝聚态体系过于定域，而对于原子本身过于离域。在20世界80年代后期，相继出现了包含电子密度梯度修正的交换-关联能泛函，比如Beck86，JohnPerdew分别提出了包含电子密度梯度信息的交换能和关联形式，在1991-1992年，JohnPerdew与WangYue（JohnPerdew博士生）提出了著名的Jacob阶梯第二阶的泛函形式PW91，该泛函保留了LDA对于缓慢变换电子密度分布描述正确的那些属性，同时考虑到了电子密度分布不均匀体系的交换-关联孔分布的非定域性，但这种修正仅限于很小的空间范围，类似的泛函构成广义梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA），GGA改善了LDA的高估分子，原子结合能的问题，但同时计算得到的平衡结构的几何参数（晶格常数，键长等）均有不同程度的恶化，比如在晶体计算中GGA一般会高估晶格常数，1996年JohnPerdew与其合作者提出了一个新的GGA泛函形式，即著名的PBE泛函，该泛函目前在固体结构计算中是使用最广泛的交换-关联能形式，PBE与PW91交换-关联密度梯度增强因子在电子密度梯度数值较小的时候（s<3)，几乎是无法区分，但在s>3之后，PW91呈现减小趋势，而PBE则持续增大到Lieb-OxfordBound上线1.804为止。对于均匀电子气体系，PBE与PW91均蜕变为LDA，该属性在后来GGA泛函中都必须得到保留，如RPBE，rPBE，WC），PBE一般高估晶格常数，结合能和生成焓较LDA有很大改善，PBE在计算相变方面非常成功，目前依然是最佳的泛函。此后JohnPerdew进一步致力于Jacob阶梯更高阶泛函的研究，值得注意的是在1997年左右，JohnPerdew课题组针对强关联体系，开发了杂化泛函PBE0，该泛函融合了PBE半定域的交换-关联孔分布函数与Hartree-Fock非定域的交换孔分布函数，对于强关联体系（MnO，NiO等等）可以正确的预测其绝缘性质，PBE0关联能全部采用PBE形式（半定域），而交换孔则是25%的Hartree-Fock交换与75%的PBE交换，若采用LDA交换能，Hartree—Fock交换能成分则会更高（30~50%）。Jacob阶梯第三阶泛函统称为Meta-GGA，Meta—GGA在GGA基础上，将电子动能密度引入泛函形式中，电子动能密度包含了电子密度梯度的平方或者二阶项。第一个Meta-GGA于1998年由JohnPerdew极其合作者提出，称为PKZB，该泛函只进行了测试，但没有得到实际应用，主要原因是该泛函交换能梯度增强因子随电子密度梯度增加过快，对于氢键体系描述并不是十分理想。此后，在2003年TaoJianming（PhDofJohnPerdew）与JohnPerdew合作提出了更加理想的Meta-GGA形式，TPSS，TPSS基本上沿用了部分PKZB的构造形式，但同时优化了部分PKZB的性质，比如梯度增强因子在较小的s，以及中等s数值的曲线走势。在2009年，为了进一步获得更准确的晶格常数等性质，在TPSS基础上，JohnPerdew，Tao等对TPSS进一步做了部分改造，得到了revised-TPSS或者RTPSS。RTPSS是目前解析泛函中最复杂的函数形式，其满足大部分已知的物理限制条件，比如s较小时自动恢复为GGA或者LDA，交换-关联能可以区分单电子区域，并将部分子相互作用通过数学构造消除。RTPSS计算得到的基态几何结构性质十分的准确，结合能误差也很小。但Meta-GGA泛函仍然属于半定域泛函类型。最后要指出的是在对TPSS修改之前，2008年，JohnPerdew修改了部分PBE参数，让其更适合固体结构计算，这个泛函称为PBEsol（PBEforsolids），RTPSS与PBEsol修改的一个重要思想是在电子密度梯度数值较小的时候，泛函应该恢复为均匀电子气分布交换-关联能的二阶展开形式。Jacob阶梯第四阶称为杂化泛函（HybirdFunctional），著名形式有B3LYP，广泛应用于量子化学计算；以及JohnPerdew极其合作者提出的PBE0，但因LDA+U算法的广泛应用，PBE0应用受到一定的制约，而且杂化泛函计算量远大于前三个Jacob阶梯的泛函。Jacob阶梯最高阶泛函称为RPA（RandomPhaseApproximation），JohnPerdew将位于这个等级上的泛函称之为“ParadiseforChemistry”。RPA泛函基于绝热耗散理论，该理论试图在绝热近似下将无相互作用电子体系与实际体系采用一个平滑的函数连接起来，通过计算无相互作用粒子体系的能量来得到实际多粒子体系的能量。RPA水平的泛函交换孔与关联孔都是离域的，计算量是Meta-GGA，GGA以及LDA的100倍以上，目前该阶梯泛函已经有几种形式，但仍然有很大的改进空间，JohnPerdew提出了几种正对RPA计算误差的修正泛函形式，至于RPA本身，JohnPerdew极其合作者在20世纪70年代已经做过重要的贡献，目前基本算法主要是基于JohnPerdew早期的关于RPA的一些思想。目前，DrPerdew对于超越RPA的近似（fxc不等于0）也提出了一些新的思想。JohnPerdew与Zunger等人在上世界80年代初解决了DFT理论的另外一个重要问题，即证明了Kohn-ShamOrbitals中HOMO与LUMO能量差值意义，极其DFT理论计算激发态最本质的缺陷。JohnPerdew目前已经发表论文250篇以上，期中大部分在PRB系列，PRL在50篇以上。个人论文引用总数在130000次以上，并且每年仍以三位数字增长，期中发表于1996年的关于PBE论文单片引用次数在17000以上。JohnPerdew多篇论文引用次数都在三位数以上,个人H因子为62（2010年统计结果）。2008年，美国化学协会期刊JTCT为庆祝JohnPerdew65岁生日刊登了一期专刊.2011年JohnPerdew当选为美国科学院院士。