The PBFC-PI Quantum Dynamical Method and Its Applications

doi:10.7503/cjcu20210129

Abstract

Abstract:

Quantum dynamics（QD） calculations of polyatomic systems are very important， however， accurate QD calculations for molecular system with more than six atoms remain a challenge nowadays. The process-oriented basis function customization（PBFC）-parallelized iterative（PI） method is an e?cient QD method developed by Bian’s group， which has been applied in accurate QD calculations of H transfer rate in malonaldehyde， a nine-atom isomerization system. In this review， we ?rst present an explanation on the basic idea of PBFC， which may have general importance， and then focus on the details of the PBFC-PI method， its combination with other methods and the recent progresses in its applications. Using these methods， large-scale parallel calculations have been performed for three kinds of benchmark systems， featuring single H transfer， concerted double H transfer， and sequential double H transfer， respectively. These calculations are helpful for acquiring new insights into H transfer processes.

Key words: Quantum dynamics, Iterative method, Tunneling splitting, Malonaldehyde, Double hydrogen transfer

CLC Number:

O643

TrendMD:

BIAN Wensheng, CAO Jianwei. The PBFC-PI Quantum Dynamical Method and Its Applications[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2123.

Figures/Tables 12

Fig.1 Schematic potential energy profile along the H?transfer path in the formic acid dimer, with the tunneling for both the vibrational ground? and excited?states indicated[15]

Fig.2 1D effective potentials for Qi (i = 1, 6, 3, 8) in formic acid dimer[16]

Fig.3 Contour plots of the 2D effective potentials as functions of normal coordinates Q1 and Qi (i=9, 8, 22, 21, 5, 3)[15]The contours are in cm-1 and relative to the global minimum. Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.5 A typical cut through the 4D effective potential for vinylidene?d2 isomerization[17]Potential contours are plotted using the Jacobi coordinates with θ2 and ? fixed at 0.5π and 0, respectively.Copyright 2020, American Institute of Physics.

Fig.7 Wavefunction contour plots of the selected vinylidene?d2 states against the relevant normal mode coordinates(Qi), with the other coordinates fixed at zero[17]Copyright 2020, American Institute of Physics.

Fig.9 H transfer along the isomerization path of formic acid dimer[16]

Fig.11 PES contour plots(cm-1) for the formic acid dimer along Qi (i=3, 6, 8, 10) and Q1 by fixing the remaining modes at zero[16]

References 42

43	Zou S.， Bowman J. M.， Chem. Phys. Lett.， 2003， 368， 421—424
44	Shen Z.， Ma H.， Zhang C.， Fu M.， Wu Y.， Bian W.， Cao J.， Nat. Commun.， 2017， 8， 14094
45	Zhang C.， Fu M.， Shen Z.， Ma H.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2014， 140， 234301
46	Wu Y.， Zhang C.， Cao J.， Bian W.， J. Phys. Chem. A， 2014， 118， 4235—4242
47	Shen Z.， Cao J.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2015， 142， 164309
48	Wu Y.， Cao J.， Bian W.， J. Phys. Chem. A， 2020， 124， 801—809
49	Liu X.， Bian W.， Zhao X.， Tao X.， J. Chem. Phys.， 2006， 125， 074306
50	Nanbu S.， Aoyagi M.， Kamisaka H.， Nakamura H.， Bian W.， Tanaka K.， J. Theor. Comput. Chem.， 2002， 01， 263—273
51	Yu L.， Bian W.， J. Comput. Chem.， 2011， 32， 1577—1588
52	Yu L.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2012， 137， 014313
53	Fu M.， Ma H.， Cao J.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2016， 144， 184302
54	Wang Y.， Braams B. J.， Bowman J. M.， Carter S.， Tew D. P.， J. Chem. Phys.， 2008， 128， 224314
55	Qu C.， Bowman J. M.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2016， 18， 24835—24840
56	Cao J.， Zhang Z.， Zhang C.， Liu K.， Wang M.， Bian W.， Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.， 2009， 106， 13180—13185
57	Wang M.， Sun X.， Bian W.， Cai Z.， J. Chem. Phys.， 2006， 124， 234311
58	Wang M.， Sun X.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2008， 129， 084309
59	Jing F.， Cao J.， Liu X.， Hu Y.， Ma H.， Bian W.， Chin. J. Chem. Phys.， 2016， 29， 430—436
60	Goroya K. G.， Zhu Y.， Sun P.， Duan C.， J. Chem. Phys.， 2014， 140，164311
61	Zhang Y.， Li W.， Luo W.， Zhu Y.， Duan C.， J. Chem. Phys.， 2017， 146， 244306
62	Li W.， Evangelisti L.， Gou Q.， Caminati W.， Meyer R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58， 859—865
63	Daly A. M.， Douglass K. O.， Sarkozy L. C.， Neill J. L.， Muckle M. T.， Zaleski D. P.， Pate B. H.， Kukolich S. G.， J. Chem. Phys.， 2011， 135， 154304
64	Ortlieb M.， Havenith M.， J. Phys. Chem. A， 2007， 111， 7355—7363
65	Smedarchina Z.， Siebrand W.， Fernández⁃Ramos A.， J. Phys. Chem. A， 2013， 117， 11086—11100
66	Richardson J. O.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2017， 19， 966—970
67	Jain A.， Sibert E. L.， J. Chem. Phys.， 2015， 142， 084115
68	Levin J.， Feldman H.， Baer A.， Ben⁃Hamu D.， Heber O.， Zajfman D.， Vager Z.， Phys. Rev. Lett.， 1998， 81， 3347—3350
69	Schork R.， Köppel H.， J. Chem. Phys.， 2001， 115， 7907—7923
70	Bittner M.， Köppel H.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2003， 5， 4604—4611
71	Srivastava H. K.， Conjusteau A.， Mabuchi H.， Callegari A.， Lehmann K. K.， Scoles G.， Silva M. L.， Field R. W.， J. Chem. Phys.， 2000， 113， 7376—7383
72	DeVine J. A.， Weichman M. L.， Xie C.， Babin M. C.， Johnson M. A.， Ma J.， Guo H.， Neumark D. M.， J. Phys. Chem. Lett.， 2018， 9， 1058—1063
73	Kozin I. N.， Law M. M.， Tennyson J.， Hutson J. M.， J. Chem. Phys.， 2005， 122， 064309
74	Tremblay J. C.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 2006， 125， 094311
75	Li B.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2008， 129， 024111
76	Germann T. C.， Miller W. H.， J. Chem. Phys.， 1998， 109， 94—101
77	Ervin K. M.， Ho J.， Lineberger W. C.， J. Chem. Phys.， 1989， 91， 5974—5992
1	Leclerc A.， Carrington T.， J.Chem. Phys.， 2014， 140， 174111
2	Wang X.， Carter S.， Bowman J. M.， J. Phys. Chem. A， 2015， 119， 11632—11640
3	Wu F.， Ren Y.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2016， 145， 074309
4	Thomas P. S.， Carrington T.， J. Phys. Chem. A， 2015， 119， 13074—13091
5	Ren Y.， Bian W.， J. Phys. Chem. Lett.， 2015， 6， 1824—1829
6	Schröder M.， Meyer H. D.， J. Chem. Phys.， 2014， 141， 034116
7	Hammer T.， Manthe U.， J. Chem. Phys.， 2011， 134， 224305
8	Bian W.， Deng C.， Int. J. Quantum Chem.， 1994， 51， 285—291
9	Bian W.， Deng C.， Theor. Chem. Acc.， 1997， 98， 110—116
10	Homayoon Z.， Bowman J. M.， Evangelista F. A.， J. Phys. Chem. Lett.， 2014， 5， 2723—2727
11	Richardson J. O.， Althorpe S. C.， J. Chem. Phys.， 2011， 134， 054109
12	Richardson J. O.， Wales D. J.， Althorpe S. C.， McLaughlin R. P.， Viant M. R.， Shih O.， Saykally R. J.， J. Phys. Chem. A， 2013， 117， 6960—6966
13	Makri N.， Miller W. H.， J. Chem. Phys.， 1989， 91， 4026—4036
14	Wang Y.， Bowman J. M.， J. Chem. Phys.， 2013， 139， 154303
15	Liu H.， Cao J.， Bian W.， J. Phys. Chem. A， 2020， 124， 6536—6543
16	Liu H.， Cao J.， Bian W.， Front. Chem.， 2019， 7， 676
17	Luo J.， Cao J.， Liu H.， Bian W.， J. Chem. Phys.， 2020， 153， 054309
18	DeVine J. A.， Weichman M. L.， Laws B.， Chang J.， Babin M. C.， Balerdi G.， Xie C.， Malbon C. L.， Lineberger W. C.， Yarkony D. R.， Field R. W.， Gibson S. T.， Ma J.， Guo H.， Neumark D. M.， Science， 2017， 358， 336—339
19	Bian W.， Deng C.， Int. J. Quantum Chem.， 1994， 50， 395—400
20	Ren Y.， Li B.， Bian W.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2011， 13， 2052—2061
21	Ren Y.， Li B.， Bian W.， AIP Conf. Proc.， 2012， 1504， 921—924
22	Harris D. O.， Engerholm G. G.， Gwinn W. D.， J. Chem. Phys.， 1965， 43， 1515—1517
23	Light J. C.， Carrington T.， Adv. Chem. Phys.， 2000， 114， 263—310
24	Bramley M. J.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 1993， 99， 8519—8541
25	Bačić Z.， Light J. C.， J. Chem. Phys.， 1986， 85， 4594—4604
26	Light J. C.， Bačić Z.， J. Chem. Phys.， 1987， 87， 4008—4019
27	Echave J.， Clary D. C.， Chem. Phys. Lett.， 1992， 190， 225—230
28	Wei H.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 1992， 97， 3029—3037
29	Lee H. S.， Light J. C.， J. Chem. Phys.， 2004， 120， 4626—4637
30	Zou S.， Bowman J. M.， Brown A.， J. Chem. Phys.， 2003， 118， 10012—10023
31	Zou S.， Bowman J. M.， J. Chem. Phys.， 2002， 117， 5507—5510
32	Huang S. W.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 2000， 112， 8765—8771
33	Poirier B.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 2001， 114， 9254—9264
34	Poirier B.， Carrington T.， J. Chem. Phys.， 2002， 116， 1215—1227
35	Wyatt R. E.， Phys. Rev. E， 1995， 51， 3643—3658
36	Li B.， Ren Y.， Bian W.， ChemPhysChem， 2011， 12， 2419—2422
37	Zhang Z.， Li B.， Shen Z.， Ren Y.， Bian W.， Chem. Phys.， 2012， 400， 1—7
38	Bian W.， Poirier B.， J. Theor. Comput. Chem.， 2003， 2， 583—597
39	Bian W.， Poirier B.， J. Chem. Phys.， 2004， 121， 4467—4478
40	Zhang C.， Ma H.， Bian W.， Prog. Chem.， 2012， 24， 1082—1093
41	Cao J.， Li F.， Xia W.， Bian W.， Chin. J. Chem. Phys.， 2019， 32， 157—166
42	Wu Y.， Cao J.， Ma H.， Zhang C.， Bian W.， Nunez⁃Reyes D.， Hickson K. M.， Sci. Adv.， 2019， 5， eaaw0446

[1]	AN Feng, HU Xixi, XIE Daiqian. Research Advances on Nonadiabatic Energy Transfer Dynamics for Triatomic Molecules [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2103.
[2]	LI Weitang, REN Jiajun, SHUAI Zhigang. Theory and Applications of Time Dependent Density Matrix Renormalization Group [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2085.
[3]	HU Xixi, YANG Junying, XIE Daiqian. State-to-state Quantum Dynamics of Reaction N+NH→N₂+H [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(11): 2198.