Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
184 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
45 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Energy-Specific Bethe-Salpeter Equation Implementation for Efficient Optical Spectrum Calculations (2410.24168v2)

Published 31 Oct 2024 in cond-mat.mtrl-sci, physics.chem-ph, and physics.comp-ph

Abstract: We present an energy-specific Bethe-Salpeter equation (BSE) implementation for efficient core and valence optical spectrum calculations. In energy-specific BSE, high-lying excitation energies are obtained by constructing trial vectors and expanding the subspace targeting excitation energies above the predefined energy threshold in the Davidson algorithm. To calculate optical spectra over a wide energy range, energy-specific BSE can be applied to multiple consecutive small energy windows, where trial vectors for each subsequent energy window are made orthogonal to the subspace of preceding windows to accelerate the convergence of the Davidson algorithm. For seven small molecules, energy-specific BSE combined with $G_0W_0$ provides small errors around 0.8 eV for absolute and relative $K$-edge excitation energies when starting from a hybrid PBEh solution with 45% exact exchange. We further showcase the computational efficiency of this approach by simulating the N $1s$ $K$-edge excitation spectrum of the porphine molecule and the valence optical spectrum of silicon nanoclusters involving 6,000 excited states using $G_0W_0$-BSE. This work expands the applicability of the $GW$-BSE formalism for investigating high-energy excited states of large systems.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (77)
  1. D. Rappoport and F. Furche, J. Am. Chem. Soc. 126, 1277 (2004).
  2. T. Zhu and T. Van Voorhis, J. Phys. Chem. C 120, 19987 (2016).
  3. T. Zhu, T. Van Voorhis, and P. de Silva, in Handbook of Materials Modeling : Methods: Theory and Modeling, edited by W. Andreoni and S. Yip (Springer International Publishing, Cham, 2018) pp. 1–31.
  4. T. Zhu and T. Van Voorhis, J. Phys. Chem. C 123, 10311 (2019).
  5. S. V. Kilina, P. K. Tamukong, and D. S. Kilin, Acc. Chem. Res. 49, 2127 (2016).
  6. E. Runge and E. K. U. Gross, Phys. Rev. Lett. 52, 997 (1984).
  7. M. E. Casida, in Recent Advances in Density Functional Methods, Recent Advances in Computational Chemistry, Vol. Volume 1 (WORLD SCIENTIFIC, 1995) pp. 155–192.
  8. C. A. Ullrich, Time-Dependent Density-Functional Theory: Concepts and Applications (OUP Oxford, 2011).
  9. R. E. Stratmann, G. E. Scuseria, and M. J. Frisch, J. Chem. Phys. 109, 8218 (1998).
  10. F. Furche and R. Ahlrichs, J. Chem. Phys. 117, 7433 (2002).
  11. M. E. Casida, J. Mol. Struct. THEOCHEM. Time-Dependent Density-Functional Theory for Molecules and Molecular Solids, 914, 3 (2009).
  12. A. D. Laurent and D. Jacquemin, Int. J. Quantum Chem. 113, 2019 (2013).
  13. A. Dreuw, J. L. Weisman, and M. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 119, 2943 (2003).
  14. D. J. Tozer, J. Chem. Phys. 119, 12697 (2003).
  15. D. Hait and M. Head-Gordon, J. Phys. Chem. Lett. 12, 4517 (2021).
  16. H. van Aggelen, Y. Yang, and W. Yang, Phys. Rev. A 88, 030501 (2013).
  17. Y. Yang, H. van Aggelen, and W. Yang, J. Chem. Phys. 139, 224105 (2013).
  18. J. Li, Z. Chen, and W. Yang, J. Phys. Chem. Lett. 13, 894 (2022a).
  19. K. J. Oosterbaan, A. F. White, and M. Head-Gordon, J. Chem. Theory Comput. 15, 2966 (2019).
  20. K. Carter-Fenk and M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 26170 (2022).
  21. P.-F. Loos and D. Jacquemin, J. Comput. Chem. 45, 1791 (2024).
  22. P. Michalak and M. Lesiuk, J. Chem. Theory Comput. 20, 8970 (2024).
  23. I. M. Mazin and A. Y. Sokolov, J. Chem. Theory Comput. 19, 4991 (2023).
  24. R. Maier, M. Bauer, and A. Dreuw, J. Chem. Phys. 159, 014104 (2023).
  25. N. Sülzner and C. Hättig, J. Chem. Theory Comput. 20, 2462 (2024).
  26. E. E. Salpeter and H. A. Bethe, Phys. Rev. 84, 1232 (1951).
  27. L. J. Sham and T. M. Rice, Phys. Rev. 144, 708 (1966).
  28. W. Hanke and L. J. Sham, Phys. Rev. Lett. 43, 387 (1979).
  29. L. Hedin, Phys. Rev. 139, A796 (1965).
  30. R. M. Martin, L. Reining, and D. M. Ceperley, Interacting Electrons (Cambridge University Press, 2016).
  31. X. Blase and C. Attaccalite, Appl. Phys. Lett. 99, 171909 (2011).
  32. D. Jacquemin, I. Duchemin, and X. Blase, Mol. Phys. 114, 957 (2016).
  33. D. Jacquemin, I. Duchemin, and X. Blase, J. Phys. Chem. Lett. 8, 1524 (2017).
  34. E. Monino and P.-F. Loos, J. Chem. Theory Comput. 17, 2852 (2021).
  35. Y. Cho, S. J. Bintrim, and T. C. Berkelbach, J. Chem. Theory Comput. 18, 3438 (2022).
  36. J. Li, D. Golze, and W. Yang, J. Chem. Theory Comput. 18, 6637 (2022c).
  37. C. Vorwerk and G. Galli, Phys. Rev. Mater. 7, 033801 (2023).
  38. X. Zhang, J. A. Leveillee, and A. Schleife, Phys. Rev. B 107, 235205 (2023).
  39. N. Rauwolf, W. Klopper, and C. Holzer, J. Chem. Phys. 160, 061101 (2024).
  40. X. Blase, I. Duchemin, and D. Jacquemin, Chem. Soc. Rev. 47, 1022 (2018).
  41. P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
  42. W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
  43. R. G. Parr and Y. Weitao, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules (Oxford University Press, 1989).
  44. K. Krause and W. Klopper, J. Comput. Chem. 38, 383 (2017).
  45. O. Çaylak and B. Baumeier, J. Chem. Theory Comput. 17, 4891 (2021).
  46. T. Biswas and A. K. Singh, arXiv preprint arXiv:2401.17831  (2024).
  47. P.-F. Loos and P. Romaniello, J. Chem. Phys. 156, 164101 (2022).
  48. R. Orlando, P. Romaniello, and P.-F. Loos, in Advances in Quantum Chemistry, Vol. 88, edited by P. E. Hoggan (Academic Press, 2023) pp. 183–211.
  49. D. Neuhauser, J. Chem. Phys. 93, 2611 (1990).
  50. M. R. Wall and D. Neuhauser, J. Chem. Phys. 102, 8011 (1995).
  51. P. J. Lestrange, P. D. Nguyen, and X. Li, J. Chem. Theory Comput. 11, 2994 (2015).
  52. Z. Bai and R.-C. Li, SIAM J. Matrix Anal. Appl. 33, 1075 (2012).
  53. S. K. Ghosh and P. K. Chattaraj, Concepts and Methods in Modern Theoretical Chemistry: Electronic Structure and Reactivity (CRC Press, 2016).
  54. D. Zhang, S. N. Steinmann, and W. Yang, J. Chem. Phys. 139, 154109 (2013).
  55. S. J. Bintrim and T. C. Berkelbach, J. Chem. Phys. 156, 044114 (2022).
  56. D. Rocca, D. Lu, and G. Galli, J. Chem. Phys. 133, 164109 (2010).
  57. I. Duchemin, T. Deutsch, and X. Blase, Phys. Rev. Lett. 109, 167801 (2012).
  58. Users of LAPACK may find it convenient to use dsygvd.
  59. A rank-revealing QR decomposition is convenient since it allows one to discard negligible components of 𝐐𝐐\mathbf{Q}bold_Q. As 𝐔𝐔\mathbf{U}bold_U grows large, it may be necessary to orthogonalize against 𝐔𝐔\mathbf{U}bold_U before and after QR to avoid restarts.
  60. fcDMFT library, https://github.com/ZhuGroup-Yale/fcdmft (2024).
  61. T. Zhu, Z.-H. Cui, and G. K.-L. Chan, J. Chem. Theory Comput. 16, 141 (2020).
  62. Z.-H. Cui, T. Zhu, and G. K.-L. Chan, J. Chem. Theory Comput. 16, 119 (2020).
  63. T. Zhu and G. K.-L. Chan, Phys. Rev. X 11, 021006 (2021a).
  64. T. Zhu and G. K.-L. Chan, J. Chem. Theory Comput. 17, 727 (2021b).
  65. J. Lei and T. Zhu, J. Chem. Phys. 157, 214114 (2022).
  66. G. L. Stoychev, A. A. Auer, and F. Neese, J. Chem. Theory Comput. 13, 554 (2017).
  67. F. Weigend and R. Ahlrichs, Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 3297 (2005).
  68. T. H. Dunning, J. Chem. Phys. 90, 1007 (1989).
  69. D. E. Woon and T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 103, 4572 (1995).
  70. M. J. van Setten, F. Weigend, and F. Evers, J. Chem. Theory Comput. 9, 232 (2013).
  71. D. Golze, L. Keller, and P. Rinke, J. Phys. Chem. Lett. 11, 1840 (2020).
  72. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 98, 5648 (1993).
  73. C. Lee, W. Yang, and R. G. Parr, Phys. Rev. B 37, 785 (1988).
  74. P. C. Hariharan and J. A. Pople, Theoret. Chim. Acta 28, 213 (1973).
  75. 2 x Intel® Xeon® Platinum 8268 CPU @ 2.90GHz.
  76. J. Li and T. Zhu, Faraday Discuss.  (2024a).
  77. J. Li and T. Zhu, arXiv preprint arXiv:2406.07531  (2024b).

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now