Ab initio quantum dynamical analysis of ultrafast nonradiative transitions via conical intersections in pyrazine

文献情報

出版日 2014-11-26
DOI 10.1039/C4CP04807E
インパクトファクター 3.676
著者

Manabu Kanno, Yuta Ito, Noriyuki Shimakura, Shiro Koseki, Hirohiko Kono


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要旨

We theoretically investigated the mechanism of ultrafast nonradiative transition through conical intersections in photoexcited pyrazine by ab initio quantum dynamical calculations. This work was motivated by the recent theoretical and experimental studies that presented conflicting results: the former is the on-the-fly semiclassical surface hopping calculation combined with the time-dependent density functional theory, which showed that nonadiabatic transitions from the optically bright S2 (1B2u, ππ*) state to the optically dark S3 (1Au, nπ*) and S4 (1B2g, nπ*) states take place predominantly at the initial stage of electronic relaxation [U. Werner et al., Chem. Phys., 2008, 349, 319]; the latter is the pump–probe photoelectron spectroscopic measurement, which reported the S2 lifetime (22 ± 3 fs) of nonradiative decay to the almost dark S1 (1B3u, nπ*) state [Y.-I. Suzuki et al., J. Chem. Phys., 2010, 132, 174302]. We constructed adiabatic and diabatic potential energy surfaces of these ππ* and nπ* states using the multireference configuration interaction method and calculated their diabatic couplings within two-dimensional subspaces spanned by selected ground-state normal coordinates. Contrary to the surface hopping study, our nuclear wave packet simulations demonstrated that nonadiabatic transitions to the S3 and S4 states are so small that the conventional two-state (S1 and S2) picture is valid. Ultrafast internal conversion of pyrazine, which is deemed to proceed with a 22 fs lifetime, in fact consists of three consecutive steps: (i) the wave packet excited to the S2 state travels toward the S2–S1 conical intersection in 10 fs, (ii) the nonadiabatic transition to the S1 state progresses at a rapid rate corresponding to a transient lifetime of 7 fs, and (iii) intramolecular vibrational energy redistribution occurs in the S1 state in about 80 fs after optical excitation. To verify this prediction, time-resolved experiments with a resolution of several fs or shorter are desirable.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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