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Excited States from State-Specific Orbital-Optimized Pair Coupled Cluster

Authors :
Antoine Marie
Anthony Scemama
Michel Caffarel
F. Kossoski
Pierre-François Loos
Groupe Méthodes et outils de la chimie quantique (LCPQ) (GMO)
Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ)
Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
European Project: 863481,PTEROSOR
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques Laboratoire (LCPQ)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Fédération de recherche « Matière et interactions » (FeRMI)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Source :
Journal of Chemical Theory and Computation, Journal of Chemical Theory and Computation, American Chemical Society, 2021, 17 (8), pp.4756-4768. ⟨10.1021/acs.jctc.1c00348⟩, Journal of Chemical Theory and Computation, 2021, 17 (8), pp.4756-4768. ⟨10.1021/acs.jctc.1c00348⟩
Publication Year :
2021
Publisher :
American Chemical Society, 2021.

Abstract

The pair coupled cluster doubles (pCCD) method (where the excitation manifold is restricted to electron pairs) has a series of interesting features. Among others, it provides ground-state energies very close to what is obtained with doubly-occupied configuration interaction (DOCI), but with polynomial cost (compared with the exponential cost of the latter). Here, we address whether this similarity holds for excited states, by exploring the symmetric dissociation of the linear \ce{H4} molecule. When ground-state Hartree-Fock (HF) orbitals are employed, pCCD and DOCI excited-state energies do not match, a feature that is assigned to the poor HF reference. In contrast, by optimizing the orbitals at the pCCD level (oo-pCCD) specifically for each excited state, the discrepancies between pCCD and DOCI decrease by one or two orders of magnitude. Therefore, the pCCD and DOCI methodologies still provide comparable energies for excited states, but only if suitable, state-specific orbitals are adopted. We also assessed whether a pCCD approach could be used to directly target doubly-excited states, without having to resort to the equation-of-motion (EOM) formalism. In our $\Delta$oo-pCCD model, excitation energies were extracted from the energy difference between separate oo-pCCD calculations for the ground state and the targeted excited state. For a set comprising the doubly-excited states of \ce{CH+}, \ce{BH}, nitroxyl, nitrosomethane, and formaldehyde, we found that $\Delta$oo-pCCD provides quite accurate excitation energies, with root mean square deviations (with respect to full configuration interaction results) lower than CC3 and comparable to EOM-CCSDT, two methods with much higher computational cost.<br />Comment: 12 pages, 4 figures

Details

Language :
English
ISSN :
15499626 and 15499618
Volume :
17
Issue :
8
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Chemical Theory and Computation
Accession number :
edsair.doi.dedup.....3b166c76ea3a7879a91edbaa953ac152
Full Text :
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.1c00348⟩