Charge localization in a diamine cation provides a test of energy functionals and self-interaction correction

离域电子 电荷(物理) 混合功能 密度泛函理论 原子物理学 国家(计算机科学) 物理 能量(信号处理) 有效核电荷 量子力学 分子物理学 统计物理学 化学 离子 数学 算法
作者
Xinxin Cheng,Yao Zhang,Elvar Örn Jónsson,Hannes Jónsson,Peter Weber
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:7 (1) 被引量:32
标识
DOI:10.1038/ncomms11013
摘要

Density functional theory (DFT) is widely applied in calculations of molecules and materials. Yet, it suffers from a well-known over-emphasis on charge delocalization arising from self-interaction error that destabilizes localized states. Here, using the symmetric diamine N,N'-dimethylpiperazine as a model, we have experimentally determined the relative energy of a state with positive charge localized on one of the two nitrogen atoms, and a state with positive charge delocalized over both nitrogen atoms. The charge-localized state was found to be 0.33 (0.04) eV higher in energy than the charge-delocalized state. This provides an important test of theoretical approaches to electronic structure calculations. Calculations with all DFT functionals commonly used today, including hybrid functionals with exact exchange, fail to predict a stable charge-localized state. However, the application of an explicit self-interaction correction to a semi-local functional identifies both states and gives relative energy in excellent agreement with both experiment and CCSD(T) calculations.
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