极化定义的非唯一性：非局域表面电荷与静电、能量和输运视角

离子晶体在功能应用中扮演核心角色。这些晶体的介观描述基于连续极化密度场来表示原子晶格尺度上电荷分布的有效物理。然而，一个长期存在的困难是宏观极化的经典静电定义——作为单胞中电荷密度的偶极矩或一阶矩——不是唯一的。这种非物理的非唯一性已被证明源于直接从无限系统出发，而不是从有限物体出发并取适当极限。这个极限过程表明静电描述不仅需要体极化密度，还需要表面电荷密度作为有效的宏观描述符；也就是说，一种非局域有效描述。解决这一困难的其他方法包括将极化变化与电荷输运联系起来；或者将极化定义为电场的能量共轭量。本工作研究了极化的经典静电定义与输运和能量共轭定义之间的关系。我们证明：(1) 电荷输运通常不对应于极化的变化；相反，需要对这些方法在静电定义上附加简化假设，才能产生相同的宏观电场。因此，静电定义将输运定义作为一个特例包含在内。(2) 能量共轭定义既有体贡献也有表面贡献；而传统方法忽略了表面贡献，我们发现考虑非局域表面贡献对于获得正确的宏观电场至关重要。