Spin decontamination of broken-symmetry density functional theory calculations: deeper insight and new formulations

文献情報

出版日 2015-01-28
DOI 10.1039/C4CP05531D
インパクトファクター 3.676
著者

Nicolas Ferré, Nathalie Guihéry, Jean-Paul Malrieu


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要旨

This work re-examines the problem of the broken-symmetry Density-Functional Theory (DFT) solutions in diradical systems, in particular for the calculation of magnetic couplings. The Ms = 0 solution is not an eigenfunction of the S2 spin operator and the evaluation of the singlet state energy requires a spin-decontamination. A popular approximation is provided by the so-called Yamaguchi formula, which operates using the expectation values of S2 relative to both Ms = 1 and Ms =0 solutions. Referring to a previous decomposition of the magnetic coupling in terms of direct exchange, kinetic exchange and core polarization, it is shown that this expression will lead to unreliable values of the singlet–triplet energy gap when the spin polarization of the core orbitals becomes large. The here-proposed method of spin-decontamination is based on the Effective Hamiltonian Theory and uses the overlap between the two degenerate Ms = 0 solutions. An approximate and convenient formula, which uses the expectation values of S2 of the Ms = 0 solutions before and after core polarization is proposed, which is free from the Yamaguchi's formula artefact, as illustrated on an organic diradical presenting a very high value of 〈S2〉 for the Ms = 0 solution, the antiferromagnetic coupling being due to the spin polarization mechanism.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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