Abstract We report on the background, current status, and current lines of development of the octopus project. This program materializes the main equations of density‐functional theory in the ground state, and of time‐dependent density‐functional theory for dynamical effects. The focus is nowadays placed on the optical (i.e. electronic) linear response properties of nanostructures and biomolecules, and on the non‐linear response to high‐intensity fields of finite systems, with particular attention to the coupled ionic‐electronic motion (i.e. photo‐chemical processes). In addition, we are currently extending the code to the treatment of periodic systems (both to one‐dimensional chains, two‐dimensional slabs, or fully periodic solids), magnetic properties (ground state properties and excitations), and to the field of quantum‐mechanical transport or “molecular electronics.” In this communication, we concentrate on the development of the methodology: we review the essential numerical schemes used in the code, and report on the most recent implementations, with special attention to the introduction of adaptive coordinates, to the extension of our real‐space technique to tackle periodic systems, and on large‐scale parallelization. More information on the code, as well as the code itself, can be found at http://www.tddft.org/programs/octopus/ . (© 2006 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

In this work, we provide an overview of how well-established concepts in the fields of quantum chemistry and material sciences have to be adapted when the quantum nature of light becomes important in correlated matter-photon problems. Therefore, we analyze model systems in optical cavities, where the matter-photon interaction is considered from the weak- to the strong coupling limit and for individual photon modes as well as for the multi-mode case. We identify fundamental changes in Born-Oppenheimer surfaces, spectroscopic quantities, conical intersections and efficiency for quantum control. We conclude by applying our novel recently developed quantum-electrodynamical density-functional theory to single-photon emission and show how a straightforward approximation accurately describes the correlated electron-photon dynamics. This paves the road to describe matter-photon interactions from first-principles and addresses the emergence of new states of matter in chemistry and material science.

In this work we give a comprehensive derivation of an exact and numerically feasible method to perform ab-initio calculations of quantum particles interacting with a quantized electromagnetic field. We present a hierachy of density-functional-type theories that describe the interaction of charged particles with photons and introduce the appropriate Kohn-Sham schemes. We show how the evolution of a system described by quantum electrodynamics in Coulomb gauge is uniquely determined by its initial state and two reduced quantities. These two fundamental observables, the polarization of the Dirac field and the vector potential of the photon field, can be calculated by solving two coupled, non-linear evolution equations without the need to explicitly determine the (numerically infeasible) many-body wave function of the coupled quantum system. To find reliable approximations to the implicit functionals we present the according Kohn-Sham construction. In the non-relativistic limit this density-functional-type theory of quantum electrodynamics reduces to the density-functional reformulation of the Pauli-Fierz Hamiltonian, which is based on the current density of the electrons and the vector potential of the photon field. By making further approximations, e.g. restricting the allowed modes of the photon field, we derive further density functional-type theories of coupled matter-photon systems for the corresponding approximate Hamiltonians. In the limit of only two sites and one mode we deduce the according effective theory for the two-site Hubbard model coupled to one photonic mode. This model system is used to illustrate the basic ideas of a density-functional reformulation in great detail and we present the exact Kohn-Sham potentials for our coupled matter-photon model system.