Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Can $GW$ Handle Multireference Systems?

Published 8 Jan 2024 in physics.chem-ph, cond-mat.mtrl-sci, cond-mat.str-el, and nucl-th | (2401.03745v1)

Abstract: Due to the infinite summation of bubble diagrams, the $GW$ approximation of Green's function perturbation theory has proven particularly effective in the weak correlation regime, where this family of Feynman diagrams is important. However, the performance of $GW$ in multireference molecular systems, characterized by strong electron correlation, remains relatively unexplored. In the present study, we investigate the ability of $GW$ to handle closed-shell multireference systems in their singlet ground state by examining four paradigmatic scenarios. Firstly, we analyze a prototypical example of a chemical reaction involving strong correlation: the potential energy curve of \ce{BeH2} during the insertion of a beryllium atom into a hydrogen molecule. Secondly, we compute the electron detachment and attachment energies of a set of molecules that exhibit a variable degree of multireference character at their respective equilibrium geometries: \ce{LiF}, \ce{BeO}, \ce{BN}, \ce{C2}, \ce{B2}, and \ce{O3}. Thirdly, we consider a \ce{H6} cluster with a triangular arrangement, which features a notable degree of spin frustration. Finally, the dissociation curve of the \ce{HF} molecule is studied as an example of single bond breaking. These investigations highlight a nuanced perspective on the performance of $GW$ for strong correlation, depending on the level of self-consistency, the choice of initial guess, and the presence of spin-symmetry breaking at the Hartree-Fock level.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (96)
  1. L. Hedin, Phys. Rev. 139, A796 (1965).
  2. F. Aryasetiawan and O. Gunnarsson, Rep. Prog. Phys. 61, 237 (1998).
  3. L. Reining, WIREs Comput. Mol. Sci. 8, e1344 (2017).
  4. A. Marie, A. Ammar,  and P.-F. Loos, “The G⁢W𝐺𝑊GWitalic_G italic_W Approximation: A Quantum Chemistry Perspective,”  (2023), arXiv:2311.05351 [physics.chem-ph] .
  5. X. Blase and C. Attaccalite, Appl. Phys. Lett. 99, 171909 (2011).
  6. I. Duchemin and X. Blase, J. Chem. Theory Comput. 16, 1742 (2020).
  7. I. Duchemin and X. Blase, J. Chem. Theory Comput. 17, 2383 (2021).
  8. K. Krause and W. Klopper, J. Comput. Chem. 38, 383 (2017).
  9. A. Förster and L. Visscher, Phys. Rev. B 105, 125121 (2022a).
  10. A. Förster and L. Visscher, J. Chem. Theory Comput. 18, 6779 (2022b).
  11. A. Förster and L. Visscher, Front. Chem. 9, 736591 (2021).
  12. A. Förster and L. Visscher, J. Chem. Theory Comput. 16, 7381 (2020).
  13. F. Caruso, Self-Consistent GW Approach for the Unified Description of Ground and Excited States of Finite Systems, PhD Thesis, Freie Universität Berlin (2013).
  14. M. Govoni and G. Galli, J. Chem. Theory Comput. 11, 2680 (2015).
  15. I. Duchemin and X. Blase, J. Chem. Phys. 150, 174120 (2019).
  16. R. L. Panadés-Barrueta and D. Golze, J. Chem. Theory Comput. 19, 5450 (2023).
  17. M. Govoni and G. Galli, J. Chem. Theory Comput. 14, 1895 (2018).
  18. M. Rohlfing and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett. 82, 1959 (1999).
  19. P. Puschnig and C. Ambrosch-Draxl, Phys. Rev. Lett. 89, 056405 (2002).
  20. C. Holzer and W. Klopper, J. Chem. Phys. 149, 101101 (2018).
  21. E. Monino and P.-F. Loos, J. Chem. Theory Comput. 17, 2852 (2021).
  22. E. Monino and P.-F. Loos, J. Chem. Phys. 159, 034105 (2023).
  23. E. E. Salpeter and H. A. Bethe, Phys. Rev. 84, 1232 (1951).
  24. G. Strinati, Riv. Nuovo Cimento 11, 1 (1988).
  25. M. Dvorak and P. Rinke, Phys. Rev. B 99, 115134 (2019).
  26. M. Gell-Mann and K. A. Brueckner, Phys. Rev. 106, 364 (1957).
  27. R. D. Mattuck, A guide to Feynman diagrams in the many-body problem, 2nd ed., Dover books on physics and chemistry (Dover Publications, New York, 1992).
  28. D. Bohm and D. Pines, Phys. Rev. 82, 625 (1951).
  29. D. Pines and D. Bohm, Phys. Rev. 85, 338 (1952).
  30. D. Bohm and D. Pines, Phys. Rev. 92, 609 (1953).
  31. P. Nozières and D. Pines, Phys. Rev. 111, 442 (1958).
  32. M. F. Lange and T. C. Berkelbach, J. Chem. Theory. Comput. 14, 4224 (2018).
  33. J. Tölle and G. Kin-Lic Chan, J. Chem. Phys. 158, 124123 (2023).
  34. N. F. Mott, Proc. Phys. Soc. A 62, 416 (1949).
  35. J. Hubbard, Proc. Math. Phys. Eng. 276, 238 (1963).
  36. E. H. Lieb and F. Wu, Phys. Rev. Lett. 20, 1445 (1968).
  37. A. Montorsi, The Hubbard Model: A Reprint Volume (World Scientific, 1992).
  38. G. F. Giuliani and G. Vignale, Quantum Theory of Electron Liquid (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2005).
  39. P.-F. Loos and P. M. W. Gill, Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 6, 410 (2016).
  40. E. Wigner, Phys. Rev. 46, 1002 (1934).
  41. G. Baym and L. P. Kadanoff, Phys. Rev. 124, 287 (1961).
  42. G. Baym, Phys. Rev. 127, 1391 (1962).
  43. P. Danielewicz, Ann. Phys. 152, 239 (1984a).
  44. P. Danielewicz, Ann. Phys. 152, 305 (1984b).
  45. W. H. DickHoff and D. V. Neck, Many-Body Theory Exposed! (World Sientific, 2008).
  46. P.-F. Loos and P. Romaniello, J. Chem. Phys. 156, 164101 (2022).
  47. R. Orlando, P. Romaniello,  and P.-F. Loos, “Exploring new exchange-correlation kernels in the bethe–salpeter equation: A study of the asymmetric hubbard dimer,” in Advances in Quantum Chemistry (Elsevier, 2023) pp. 183–211.
  48. T. C. Berkelbach, J. Chem. Phys. 149, 041103 (2018).
  49. E. L. Shirley, Phys. Rev. B 54, 7758 (1996).
  50. A. Schindlmayr and R. W. Godby, Phys. Rev. Lett. 80, 1702 (1998).
  51. E. Maggio and G. Kresse, J. Chem. Theory Comput. 13, 4765 (2017).
  52. V. Vlček, J. Chem. Theory Comput. 15, 6254 (2019).
  53. A. M. Lewis and T. C. Berkelbach, J. Chem. Theory Comput. 15, 2925 (2019).
  54. C. Mejuto-Zaera and V. c. v. Vlček, Phys. Rev. B 106, 165129 (2022).
  55. Y. Wang and X. Ren, J. Chem. Theory Comput. 157, 214115 (2022).
  56. C. E. Shannon, Bell System Technical Journal 27, 379 (1948).
  57. I. M. Nielsen and C. L. Janssen, Chem. Phys. Lett. 310, 568 (1999).
  58. R. J. Gdanitz and R. Ahlrichs, Chem. Phys. Lett. 143, 413 (1988).
  59. S. B. Sharp and G. I. Gellene, J. Phys. Chem. A 104, 10951 (2000).
  60. T. Yanai and G. K.-L. Chan, J. Chem. Phys. 124, 194106 (2006).
  61. F. A. Evangelista and J. Gauss, J. Chem. Phys. 134, 114102 (2011).
  62. F. A. Evangelista, J. Chem. Phys. 134, 224102 (2011).
  63. K. A. Peterson and T. H. Dunning, J. Chem. Phys. 102, 2032 (1995).
  64. X. Li and J. Paldus, J. Chem. Phys. 108, 637 (1998).
  65. A. Engels-Putzka and M. Hanrath, J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 902, 59 (2009).
  66. A. L. Fetter and J. D. Walecka, Quantum Theory of Many Particle Systems (McGraw Hill, San Francisco, 1971).
  67. R. Starke and G. Kresse, Phys. Rev. B 85, 075119 (2012).
  68. M. S. Hybertsen and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett. 55, 1418 (1985).
  69. W. von der Linden and P. Horsch, Phys. Rev. B 37, 8351 (1988).
  70. M. S. Hybertsen and S. G. Louie, Phys. Rev. B 34, 5390 (1986).
  71. M. Shishkin and G. Kresse, Phys. Rev. B 75, 235102 (2007).
  72. S.-H. Ke, Phys. Rev. B 84, 205415 (2011).
  73. A. Marie and P.-F. Loos, J. Chem. Theory Comput. 19, 3943 (2023).
  74. R. Seeger and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 66, 3045 (1977).
  75. H. Fukutome, Int. J. Quantum Chem. 20, 955 (1981).
  76. J. Stuber and J. Paldus, “Symmetry Breaking in the Independent Particle Model,” in Fundamental World of Quantum Chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin, Vol. 1, edited by E. J. Brändas and E. S. Kryachko (Kluwer Academic, Dordrecht, 2003) p. 67.
  77. E. L. Shirley and R. M. Martin, Phys. Rev. B 47, 15404 (1993).
  78. P. Pokhilko and D. Zgid, J. Chem. Phys. 157, 144101 (2022).
  79. P. Pokhilko and D. Zgid, J. Phys. Chem. Lett. 14, 5777 (2023).
  80. H. G. A. Burton and A. J. W. Thom, J. Chem. Theory Comput. 12, 167 (2016).
  81. K. P. Huber and G. Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure: IV. Constants of diatomic molecules (van Nostrand Reinhold Company, 1979).
  82. F. Weigend and R. Ahlrichs, Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 3297 (2005).
  83. W. R. M. Graham and W. Weltner, J. Chem. Phys. 65, 1516 (1976).
  84. M. Dupuis and B. Liu, J. Chem. Phys. 68, 2902 (1978).
  85. P. J. Bruna and J. S. Wright, J. Phys. Chem. 94, 1774 (1990).
  86. J. Bauschlicher, Charles W. and S. R. Langhoff, J. Chem. Phys. 87, 2919 (1987).
  87. M. L. Abrams and C. D. Sherrill, J. Chem. Phys. 121, 9211 (2004).
  88. C. D. Sherrill and P. Piecuch, J. Chem. Phys. 122, 124104 (2005).
  89. X. Li and J. Paldus, Chem. Phys. Lett. 431, 179 (2006).
  90. Although we consider the lowest-energy singlet state, it is worth noting that \ceBN has a triplet ground state. Lorenz et al. (1996).
  91. A. D. Becke, Phys. Rev. A 38, 3098 (1988).
  92. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 98, 5648 (1993).
  93. A. Szabo and N. S. Ostlund, Modern quantum chemistry (McGraw-Hill, New York, 1989).
  94. P. Pokhilko and D. Zgid, J. Chem. Phys. 155, 024101 (2021).
  95. E. Monino and P.-F. Loos, J. Chem. Phys. 156, 231101 (2022).
  96. E. Linnér and F. Aryasetiawan, Phys. Rev. B 100, 235106 (2019).
Citations (9)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We're still in the process of identifying open problems mentioned in this paper. Please check back in a few minutes.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 27 likes about this paper.

Sign Up for Free