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Analytic Linear Vibronic Coupling Method for First-Principles Spin-Dynamics Calculations in Single-Molecule Magnets

哈密顿量(控制论) 多极展开 放松(心理学) 联轴节(管道) 电子结构 物理 振动耦合 统计物理学 计算物理学 量子力学 分子 材料科学 数学 数学优化 社会心理学 心理学 冶金
作者
Jakob K. Staab,Nicholas F. Chilton
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:18 (11): 6588-6599 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.2c00611
摘要

Accurate modeling of vibronically driven magnetic relaxation from ab initio calculations is of paramount importance to the design of next-generation single-molecule magnets (SMMs). Previous theoretical studies have been relying on numerical differentiation to obtain spin-phonon couplings in the form of derivatives of spin Hamiltonian parameters. In this work, we introduce a novel approach to obtain these derivatives fully analytically by combining the linear vibronic coupling (LVC) approach with analytic complete active space self-consistent field derivatives and nonadiabatic couplings computed at the equilibrium geometry with a single electronic structure calculation. We apply our analytic approach to the computation of Orbach and Raman relaxation rates for a bis-cyclobutadienyl Dy(III) sandwich complex in the frozen-solution phase, where the solution environment is modeled by electrostatic multipole expansions, and benchmark our findings against results obtained using conventional numerical derivatives and a fully electronic description of the whole system. We demonstrate that our LVC approach exhibits high accuracy over a wide range of coupling strengths and enables significant computational savings due to its analytic, "single-shot" nature. Evidently, this offers great potential for advancing the simulation of a wide range of vibronic coupling phenomena in magnetism and spectroscopy, ultimately aiding the design of high-performance SMMs. Considering different environmental representations, we find that a point charge model shows the best agreement with the reference calculation, including the full electronic environment, but note that the main source of discrepancies observed in the magnetic relaxation rates originates from the approximate equilibrium electronic structure computed using the electrostatic environment models rather than from the couplings.

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