New approaches for the calibration of exchange-energy densities in local hybrid functionals

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.The ambiguity of exchange-energy densities is a fundamental challenge for the development of local hybrid functionals, or of other functionals based on a local mixing of exchange-energy densities. In this work, a systematic construction of semi-local calibration functions (CFs) for adjusting the exchange-energy densities in local hybrid functionals is provided, which directly links a given CF to an underlying semi-local exchange functional, as well as to the second-order gradient expansion of the exchange hole. Using successive steps of integration by parts allows the derivation of correction terms of increasing order, resulting in more and more complicated but also more flexible CFs. We derive explicit first-and second-order CFs (pig1 and pig2) based on B88 generalized-gradient approximation (GGA) exchange, and a first-order CF (tpig1) based on t-dependent B98 meta-GGA exchange. We combine these CFs with different long-range damping functions and evaluate them for calibration of LDA, B88 GGA, and TPSS meta-GGA exchange-energy densities. Based on a minimization of unphysical nondynamical correlation contributions in three noble-gas dimer potential-energy curves, free parameters in the CFs are optimized, and performance of various approaches in the calibration of different exchange-energy densities is compared. Most notably, the second-order pig2 CF provides the largest flexibility with respect to the diffuseness of the damping function. This suggests that higher-order CFs based on the present integration-by-parts scheme may be particularly suitable for the flexible construction of local hybrid functionals

Gauge-Independent Kinetic Energy Densities in Meta-GGAs and Local Hybrid Calculations of Magnetizabilities

In a recent study [J. Chem. Theory Comput. 2021, 17, 1457-1468], some of us examined the accuracy of magnetizabilities calculated with density functionals representing the local density approximation (LDA), generalized gradient approximation (GGA), meta-GGA (mGGA) as well as global hybrid (GH) and range-separated (RS) hybrid functionals by assessment against accurate reference values obtained with coupled-cluster theory with singles, doubles and perturbative triples [CCSD(T)]. Our study was later extended to local-hybrid (LH) functionals by Holzer et al. [J. Chem. Theory Comput. 2021, 17, 2928-2947]; in this work, we examine a larger selection of LH functionals, also including range-separated LH (RSLH) functionals and strong-correlation LH (scLH) functionals. Holzer et al also studied the importance of the physically correct handling of the magnetic gauge dependence of the kinetic energy density $(\tau)$ in mGGA calculations by comparing the Maximoff--Scuseria formulation of $\tau$ used in our aforementioned study to the more physical current-density extension derived by Dobson. In this work, we also revisit this comparison with a larger selection of mGGA functionals. We find that the newly tested LH, RSLH and scLH functionals outperform all the functionals considered in the previous studies. The various LH functionals afford the seven lowest mean absolute errors, while also showing remarkably small standard deviations and mean errors. Most strikingly, the best two functionals are scLHs that also perform remarkably well in cases with significant multiconfigurational character such as the ozone molecule, which is traditionally excluded from the statistical error evaluation due to its large errors with common density functionals.Comment: 22 pages, 1 figur

Comparative Density Functional Theory Study of Magnetic Exchange Coupling in Di-nuclear Transition Metal Complexes

Multi-center transition metal complexes (MCTMs) with magnetically interacting ions have been proposed as components for information processing devices and storage units. For any practical application of MCTMs as magnetic units, it is crucial to characterize their magnetic behavior, and in particular the isotropic magnetic exchange coupling, J, between its magnetic centers. Due to the large size of typical MCTMs, density functional theory (DFT) is the only practical electronic structure method for evaluating the J coupling. Here we assess the accuracy of different density functional approximations for predicting the magnetic couplings of seven di-metal transition metal complexes with known reliable experimental J couplings spanning from ferromagnetic to strong antiferromagnetic. The density functionals considered include global hybrid functionals which mix semilocal density functional approximations and exact exchange with a fixed admixing parameter, six local hybrid functionals where the admixing parameters are extended to be spatially dependent, the SCAN and r$^2$SCAN meta-generalized gradient approximations (GGAs), and two widely used GGAs. We found that global hybrids have a tendency to over-correct the error in magnetic coupling parameters from the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) GGA, while the performance of local hybrid density functionals is scattered without a clear trend, suggesting that more efforts are needed for the extension from global to local hybrid density functionals for this particular property. The SCAN and r$^2$SCAN meta-GGAs are found to perform as well or better than the global and local hybrids on most tested complexes. We further analyze the charge density redistribution of meta-GGAs as well as global and local hybrid density functionals with respect to that of PBE, in connection to the self-interaction error (SIE) or delocalization error

Calculation of NMR Parameters in a Modern Relativistic Density Functional Framework: Theory, Implementation, and Application

In dieser Arbeit wird die relativistische Theorie der exakten Entkopplung (engl. exact two-component theory, X2C) auf chemische Verschiebungen und Kopplungskonstanten der Atomkerne in der Kernspinresonanz-Spektroskopie (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) angewandt, um damit Spektren von Molekülen mit schweren Elementen zu interpretieren und vorherzusagen. Da der NMR-Abschirmungstensor und der Kopplungstensor von der Elektronendichte in Kernnähe abhängt, wird für die akkurate Berechnung eine relativistische Allelektronentheorie benötigt. In X2C wird die relativistische Entkopplung in einer Matrixform realisiert, wobei unkontrahierte oder primitive Basisfunktionen genutzt werden, was zu erhöhten Dimensionen führt. Ebenso müssen für die Ableitungen der Entkopplungsmatrix für NMR-Parameter Antwortgleichungen erster und zweiter Ordnung gelöst werden. Dies führt folglich zu einem hohen Rechenaufwand. In dieser Arbeit wird die diagonale, lokale Näherung der unitären Entkopplung (engl. diagonal local approximation to the unitary decoupling transformation, DLU) für NMR-Parameter hergeleitet und in einen Computercode implementiert. Diese Näherung reduziert den Rechenaufwand um eine Potenz ohne dabei zu einem nennenswerten Verlust an Genauigkeit zu führen. Die Antwortgleichungen werden nur innerhalb der atomaren Blöcke gelöst, sodass der Rechenaufwand für die Ein- und Zweielektronen Terme balanciert wird. Das Modell der endlich ausgedehnten Atomkerne wird für das skalare Potential und das Vektorpotential genutzt, da gerade die Fermi-Kontakt-Wechselwirkung der NMR-Kopplungskonstanten stark auf die Elektronendichte am Kernort reagiert. Insbesondere für die sechste Periode ist dieses Modell von Bedeutung und muss für eine genaue Berechnung berücksichtigt werden. Ebenso wird die Optimierung von Basissätzen auf Grundlage der analytischen Ableitungen erst mit diesem Modell möglich. Für die chemische Verschiebung werden optimierte Basissätze auf double-, triple-, und quadruple-$\zeta$ Niveau präsentiert. Somit wird X2C zusammen mit den etablierten Näherungen für die Zweielektronen-Integrale zu einem nützlichen Werkzeug für die Berechnung der NMR-Spektren von Hauptgruppen- und Übergangsmetall-Verbindungen. Die Elektronenkorrelation wird im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bis zur vierten Stufe der Jakobsleiter zum exakten Funktional berücksichtigt, d.h. bis zu (lokalen) Hybridfunktionalen. Die paramagnetische Stromdichte wird hierbei für die kinetische Energiedichte genutzt, um einen eichinvarianten Formalismus zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit werden die ersten formal eichinvarianten Berechnungen von NMR-Kopplungen mit entsprechenden Funktionalen präsentiert. Die Implementierung nutzt einen verallgemeinerten Algorithmus zur Lösung der Antwortgleichungen, der für beliebige Eigenschaften gültig ist. Es werden nur die für die Eigenschaft spezifischen Integrale benötigt. Die Effekte des Hamiltonian, des Basissatzes und der Dichtefunktional-Näherungen werden über das Periodensystem evaluiert. Die entwickelte Theorie und die Implementierung werden auf organometallische Phosphorverbindungen angewandt und so die Phosphor-Metall p$\pi$-p$\pi$ Bindung erklärt. Darüber hinaus konnte die Aromatizität des rein metallischen Clusters [Th@Bi$_{12}$]$^{4-}$ auf Basis einer Analyse der magnetisch induzierten Stromdichte und experimenteller Befunde bestätigt werden. Nach heutigem Stand ist dies die größte rein metallische aromatische Verbindung. Im Zuge dieser Analyse wurden die Ringströme aller bekannten rein metallischen Aromaten und der typischen organischen Aromaten sowie der Heteroaromaten berechnet. Ein Vergleich mit dem Ringstrom des Clusters [Th@Bi$_{12}$]$^{4-}$ zeigt, dass dieser einen großen Strom für 2 ${\pi}$-Elektronen aufweist. Daher erweitert [Th@Bi$_{12}$]$^{4-}$ das Konzept der $\pi$-Aromatizität und verschiebt dessen Grenzen

Current density functional framework for spin–orbit coupling

Relativistic two-component density functional calculations are carried out in a non-collinear formalism to describe spin–orbit interactions, where the exchange–correlation functional is constructed as a generalization of the non-relativistic density functional approximation. Contrary to non-relativistic density functional theory (DFT), spin–orbit coupling, however, leads to a non-vanishing paramagnetic current density. Density functionals depending on the kinetic energy density, such as meta-generalized gradient approximations, should therefore be constructed in the framework of current DFT (CDFT). The latter has previously exclusively been used in the regime of strong magnetic fields. Herein, we present a consistent CDFT approach for relativistic DFT, including spin–orbit coupling. Furthermore, we assess the importance of the current density terms for ground-state energies, excitation energies, nuclear magnetic resonance shielding, and spin–spin coupling constants, as well as hyperfine coupling constants, $\Delta$g-shifts, and the nuclear quadrupole interaction tensor in electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The most notable changes are found for EPR properties. The impact of the current-dependent terms rises with the number of unpaired electrons, and consequently, the EPR properties are more sensitive toward CDFT. Considerable changes are observed for the strongly constrained and appropriately normed functionals, as well as the B97M family and TASK. The current density terms are less important when exact exchange is incorporated. At the same time, the current-dependent kernel ensures the stability of response calculations in all cases. We, therefore, strongly recommend to use the framework of CDFT for self-consistent spin–orbit calculations

Emerging DFT Methods and Their Importance for Challenging Molecular Systems with Orbital Degeneracy

We briefly present some of the most modern and outstanding non-conventional density-functional theory (DFT) methods, which have largely broadened the field of applications with respect to more traditional calculations. The results of these ongoing efforts reveal that a DFT-inspired solution always exists even for pathological cases. Among the set of emerging methods, we specifically mention FT-DFT, OO-DFT, RSX-DFT, MC-PDFT, and FLOSIC-DFT, complementing the last generation of existing density functionals, such as local hybrid and double-hybrid expressions.This research was funded by “Generalitat Valenciana”, grant number AICO/2018/175, and by “Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades", project FIS2015-64222-C2-2-P

Towards the Description of Core-Excited States within the Framework of Many-Body Perturbation Theory

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung effizienter und robuster Methoden zur Beschreibung von Ladungs- und ladungsneutralen Anregungen von kernnahen Zuständen in molekularen Systemen mittels Vielteilchen-Störungstheorie. Um auch die Anwendbarkeit auf Systeme, die schwere Elemente beinhalten, zu gewährleisten, wird der Formalismus in einem zwei-komponentigen Kramers-symmetrischen Rahmen präsentiert. Dies erlaubt neben skalarrelativistischen Effekten auch die explizite Beschreibung der Spin-Bahn-Wechselwirkung. Die erarbeiteten Ansätze bleiben jedoch auch im ein-komponentigen, nichtrelativistischen Grenzfall gültig. Es wird eine neue Methode zur Berechnung von Quasiteilchenenergien in der GW-Näherung vorgestellt und bewertet. Dabei wird die Beschreibung von Ladungsanregungen, den Ionisierungsenergien und Elektronenaffinitäten, gleichermaßen für Valenz- und Rumpfelektronen ermöglicht. Diese Technik verringert gerade für die letztere Anwendung den Aufwand drastisch im Vergleich zu etablierten Methoden und besitzt zudem auch Vorteile für Systeme mit einer hohen Zustandsdichte. Die so erhaltenen Quasiteilchenenergien werden im Weiteren als Ausgangspunkt zur Berechnung von ladungsneutralen Anregungen, wie sie zur Beschreibung von Experimenten aus der Röntgenabsorptionsspektroskopie benötigt werden, mittels der Bethe-Salpeter Gleichung verwendet. Es werden zwei Ansätze diskutiert, die bereits im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie und post-Hartree–Fock Methoden bekannt sind. Erstere folgt der gedämpften linearen Antworttheorie und führt eine künstliche Lebenszeit für angeregte Zustände ein. Dies ermöglicht die Berechnung dynamischer Polarisierbarkeiten für beliebige Frequenzen. Die zweite Methode nutzt die schwache Kopplung zwischen den Anregungen rumpfnaher und Valenzelektronen in der elektronischen Hesse-Matrix. Das Problem wird in einem entsprechenden Unterraum der Einfachanregungen von Rumpfelektronen gelöst. Beide Methoden werden im Folgenden zusammen mit den entsprechenden Implementierungen vorgestellt und auf die Möglichkeit zur Beschreibung von Anregungen von kernnahen Elektronen bewertet. Die Ergebnisse werden mit weiteren Methoden, sowie experimentellen Daten verglichen, und auf reale Fragestellungen angewandt