The behaviors of the positive definite Kohn-Sham kinetic energy density near the origin and at the asymptotic region play a major role in designing meta-generalized gradient approximations (meta-GGAs) for exchange in low-dimensional quantum systems. It is shown that near the origin of the parabolic quantum dot, the Kohn-Sham kinetic energy differs from its von Weizsäcker counterpart due to the p orbital contributions, whereas in the asymptotic region, the difference between the above two kinetic energy densities goes as ρ(r)r2. All these behaviors have been explored using the two-dimensional isotropic quantum harmonic oscillator as a test case. Several meta-GGA ingredients are then studied by making use of the above findings. Also, the asymptotic conditions for the exchange energy density and the potential at the meta-GGA level are proposed using the corresponding behaviors of the two kinetic energy densities.

1.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
2.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
3.
A. D.
Becke
,
Int. J. Quantum Chem.
23
,
1915
(
1983
).
4.
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
1665
(
1985
).
5.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
33
,
8800
(
1986
).
6.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
7.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
8.
A. D.
Becke
and
M. R.
Roussel
,
Phys. Rev. A
39
,
3761
(
1989
).
9.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
104
,
1040
(
1996
).
10.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
11.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
54
,
16533
(
1996
).
12.
R. M.
Koehl
,
G. K.
Odom
, and
G. E.
Scuseria
,
Mol. Phys.
87
,
835
(
1996
).
13.
T. V.
Voorhis
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
109
,
400
(
1998
).
14.
F. A.
Hamprecht
,
A. J.
Cohen
,
D. J.
Tozer
, and
N. C.
Handy
,
J. Chem. Phys.
109
,
6264
(
1998
).
15.
M.
Ernzerhof
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
110
,
5029
(
1999
).
16.
T.
Tsuneda
and
K.
Hirao
,
Phys. Rev. B
62
,
15527
(
2000
).
17.
J.
Heyd
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
18.
J.
Tao
,
J. P.
Perdew
,
V. N.
Staroverov
, and
G. E.
Scuseria
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
146401
(
2003
).
19.
R.
Armiento
and
A. E.
Mattsson
,
Phys. Rev. B
72
,
085108
(
2005
).
20.
Y.
Zhao
and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Phys.
125
,
194101
(
2006
).
21.
J. P.
Perdew
,
A.
Ruzsinszky
,
G. I.
Csonka
,
O. A.
Vydrov
,
G. E.
Scuseria
,
L. A.
Constantin
,
X.
Zhou
, and
K.
Burke
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
136406
(
2008
).
22.
R.
Armiento
,
S.
Kümmel
, and
T.
Körzdörfer
,
Phys. Rev. B
77
,
165106
(
2008
).
23.
J. P.
Perdew
,
A.
Ruzsinszky
,
G. I.
Csonka
,
L. A.
Constantin
, and
J.
Sun
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
026403
(
2009
).
24.
F.
Tran
and
P.
Blaha
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
226401
(
2009
).
25.
L. A.
Constantin
,
E.
Fabiano
, and
F.
Della Sala
,
Phys. Rev. B
88
,
125112
(
2013
).
26.
L. A.
Constantin
,
E.
Fabiano
, and
F.
Della Sala
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
2256
2263
(
2013
).
27.
J.
Sun
,
A.
Ruzsinszky
, and
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
036402
(
2015
).
28.
L. A.
Constantin
,
A.
Terentjevs
,
F.
Della Sala
,
P.
Cortona
, and
E.
Fabiano
,
Phys. Rev. B
93
,
045126
(
2016
).
29.
J.
Tao
and
Y.
Mo
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
073001
(
2016
).
30.
M.
Levy
and
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. A
32
,
2010
(
1985
).
31.
A. D.
Hyman
,
S. I.
Yaniger
, and
J. F.
Liebman
,
Int. J. Quantum Chem.
14
,
757
(
1978
).
32.
R.
Peverati
and
D. G.
Truhlar
,
Phys. Chem. Lett.
2
,
2810
(
2011
).
33.
M.
Ernzerhof
and
J. P.
Perdew
,
J. Chem. Phys.
109
,
3313
(
1998
).
34.
T.
Henderson
,
B. G.
Janesko
, and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
128
,
194105
(
2008
).
35.
L. A.
Constantin
,
J. P.
Perdew
, and
J.
Tao
,
Phys. Rev. B
73
,
205104
(
2006
).
36.
J. P.
Perdew
,
M.
Ernzerhof
,
A.
Zupan
, and
K.
Burke
,
J. Chem. Phys.
108
,
1522
(
1998
).
37.
A.
Becke
,
J. Chem. Phys.
109
,
2092
(
1998
).
38.
J. B.
Krieger
,
Y.
Li
, and
G. J.
Iafrate
,
Phys. Rev. A
46
,
5453
(
1992
).
39.
J.
Tao
,
M.
Springborg
, and
J. P.
Perdew
,
J. Chem. Phys.
119
,
6457
(
2003
).
40.
L. P.
Kouwenhoven
,
D. G.
Austing
, and
S.
Tarucha
,
Rep. Prog. Phys.
64
,
701
(
2001
).
41.
S. M.
Reimann
and
M.
Manninen
,
Rev. Mod. Phys.
74
,
1283
(
2002
).
42.
Y. H.
Kim
,
I. H.
Lee
,
S.
Nagaraja
,
J. P.
Leburton
,
R. Q.
Hood
, and
R. M.
Martin
,
Phys. Rev. B
61
,
5202
(
2000
).
43.
A. K.
Rajagopal
and
J. C.
Kimball
,
Phys. Rev. B
15
,
2819
(
1977
).
44.
B.
Tanatar
and
D. M.
Ceperley
,
Phys. Rev. B
39
,
5005
(
1989
).
45.
C.
Attaccalite
,
S.
Moroni
,
P.
Gori-Giorgi
, and
G. B.
Bachelet
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
256601
(
2002
).
46.
H.
Saarikoski
,
E.
Räsänen
,
S.
Siljamäki
,
A.
Harju
,
M. J.
Puska
, and
R. M.
Nieminen
,
Phys. Rev. B
67
,
205327
(
2003
).
47.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
,
N.
Helbig
, and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. B
76
,
235314
(
2007
).
48.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
,
J. G.
Vilhena
, and
M. A. L.
Marques
,
Phys. Rev. A
79
,
012503
(
2009
).
49.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
, and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. A
80
,
032515
(
2009
).
50.
S.
Pittalis
and
E.
Räsänen
,
Phys. Rev. B
80
,
165112
(
2009
).
51.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
, and
C. R.
Proetto
,
Phys. Rev. B
81
,
115108
(
2010
).
52.
E.
Räsänen
and
S.
Pittalis
,
Phys. E
42
,
1232
1235
(
2010
).
53.
S.
Sakiroglu
and
E.
Räsänen
,
Phys. Rev. A
82
,
012505
(
2010
).
54.
S.
Pittalis
and
E.
Räsänen
,
Phys. Rev. B
82
,
165123
(
2010
).
55.
E.
Räsänen
,
S.
Pittalis
,
J. G.
Vilhena
, and
M. A. L.
Marques
,
Int. J. Quantum Chem.
110
,
2308
2314
(
2010
).
56.
S.
Pittalis
and
E.
Räsänen
,
Phys. Rev. B
82
,
195124
(
2010
).
57.
A.
Putaja
,
E.
Räsänen
,
R.
van Leeuwen
,
J. G.
Vilhena
, and
M. A. L.
Marques
,
Phys. Rev. B
85
,
165101
(
2012
).
58.
J. G.
Vilhena
,
E.
Räsänen
,
M. A. L.
Marques
, and
S.
Pittalis
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1837
1842
(
2014
).
59.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
, and
M. A. L.
Marques
,
Phys. Rev. B
78
,
195322
(
2008
).
60.
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
,
C. R.
Proetto
, and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. B
79
,
085316
(
2009
).
61.
E.
Räsänen
,
S.
Pittalis
, and
C. R.
Proetto
,
Phys. Rev. B
81
,
195103
(
2010
).
62.
N.
Helbig
,
S.
Kurth
,
S.
Pittalis
,
E.
Räsänen
, and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. B
77
,
245106
(
2008
).
63.
S.
Jana
and
P.
Samal
,
J. Phys. Chem. A
121
,
4804
(
2017
).
64.
E.
Räsänen
,
A.
Casrto
, and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. B
77
,
115108
(
2008
).
65.
F.
Della Sala
,
E.
Fabiano
, and
L. A.
Constantin
,
Phys. Rev. B
91
,
035126
(
2015
).
66.
F.
Della Sala
,
E.
Fabiano
, and
L. A.
Constantin
,
Int. J. Quantum Chem.
116
,
1641
(
2016
).
67.
L. A.
Constantin
,
E.
Fabiano
, and
F.
Della Sala
,
Computation
4
(
2
),
19
(
2016
).
68.
R. M.
Dreizler
and
E. K. U.
Gross
,
Density Functional Theory
(
Springer
,
1990
).
69.
E.
Sim
,
J.
Larkin
,
K.
Burke
, and
C. W.
Bock
,
J. Chem. Phys.
118
,
8140
(
2003
).
70.
V. V.
Karasiev
,
R. S.
Jones
,
S. B.
Trickey
, and
F. E.
Harris
,
Phys. Rev. B
80
,
245120
(
2009
).
71.
R. F. W.
Bader
and
P. M.
Beddall
,
J. Chem. Phys.
56
,
3320
(
1972
).
72.
J. M.
Garcia Lastra
,
J. W.
Kaminski
, and
T. A.
Wesolowski
,
J. Chem. Phys.
129
,
074107
(
2008
).
73.
L.
Vitos
,
H. L.
Skriver
, and
J.
Kollár
,
Phys. Rev. B
57
,
12611
(
1998
).
74.
M.
Ernzerhof
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
501-502
,
59
(
2000
).
75.
J. P.
Perdew
and
L. A.
Constantin
,
Phys. Rev. B
75
,
155109
(
2007
).
76.
Z.
Qian
,
Phys. Rev. B
75
,
193104
(
2007
).
77.
M.
Ernzerhof
,
K.
Burke
, and
J. P.
Perdew
,
J. Chem. Phys.
105
,
2798
(
1996
).
78.
A. D.
Becke
and
K. E.
Edgecombe
,
J. Chem. Phys.
92
,
5397
(
1990
).
79.
E. R.
Johnson
,
A. D.
Becke
,
C. D.
Sherrill
, and
G. A.
DiLabio
,
J. Chem. Phys.
131
,
034111
(
2009
).
80.
M. A. L.
Marques
,
A.
Castro
,
G. F.
Bertsch
, and
A.
Rubio
,
Comput. Phys. Commun.
151
,
60
(
2003
).
81.
V. U.
Nazarov
,
Phys. Rev. B
93
,
195432
(
2016
).
82.
L. A.
Constantin
,
E.
Fabiano
, and
F. D.
Salla
,
Phys. Rev. B
93
,
115127
(
2016
).
83.
J.
Tao
,
J. Chem. Phys.
115
,
3519
(
2001
).
84.
M.
Brack
and
B. P.
van Zyl
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1574
(
2001
).
85.
S.
Jana
,
A.
Patra
, and
P.
Samal
,
Phys. E
97
,
268
276
(
2018
).
You do not currently have access to this content.