Ab initio non-adiabatic molecular dynamics

表面跳跃 含时密度泛函理论 激发态 密度泛函理论 从头算 绝热过程 基准集 分子动力学 势能 化学 量子动力学 非绝热的 分子物理学 计算化学 量子力学 物理 量子
作者
Enrico Tapavicza,Gregory D. Bellchambers,Jordan C. Vincent,Filipp Furche
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (42): 18336-18336 被引量:155
标识
DOI:10.1039/c3cp51514a
摘要

Adiabatic nuclear potential energy surfaces (PESs) defined via the Born–Oppenheimer (BO) approximation are a fundamental concept underlying chemical reactivity theory. For a wide range of excited-state phenomena such as radiationless decay, energy and charge transfer, and photochemical reactions, the BO approximation breaks down due to strong couplings between two or more BO PESs. Non-adiabatic molecular dynamics (NAMD) is the method of choice to model these processes. We review new developments in quantum–classical dynamics, analytical derivative methods, and time-dependent density functional theory (TDDFT) which have lead to a dramatic expansion of the scope of ab initio NAMD simulations for molecular systems in recent years. We focus on atom-centered Gaussian basis sets allowing highly efficient simulations for molecules and clusters, especially in conjunction with hybrid density functionals. Using analytical derivative techniques, forces and derivative couplings can be obtained with machine precision in a given basis set, which is crucial for accurate and stable dynamics. We illustrate the performance of surface-hopping TDDFT for photochemical reactions of the lowest singlet excited states of cyclohexadiene, several vitamin D derivatives, and a bicyclic cyclobutene. With few exceptions, the calculated quantum yields and excited state lifetimes agree qualitatively with experiment. For systems with ∼50 atoms, the present TURBOMOLE implementation allows NAMD simulations with 0.2–0.4 ns total simulation time using hybrid density functionals and polarized double zeta valence basis sets on medium-size compute clusters. We close by discussing open problems and future directions.

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