We explore the potential of double core hole electron spectroscopy for chemical analysis in terms of x-ray two-photon photoelectron spectroscopy. The creation of deep single and double core vacancies induces significant reorganization of valence electrons. The corresponding relaxation energies and the interatomic relaxation energies are evaluated by complete active space self-consistent field (CASSCF) calculations. We propose a method on how to experimentally extract these quantities by the measurement of single ionization potentials (IPs) and double core hole ionization potentials (DIPs). The influence of the chemical environment on these DIPs is also discussed for states with two holes at the same atomic site and states with two holes at two different atomic sites. Electron density difference between the ground and double core hole states clearly shows the relaxations accompanying the double core hole ionization. The effect is also compared to the sensitivity of single core hole IPs arising in single core hole electron spectroscopy. We have demonstrated the method for a representative set of small molecules LiF, BeO, BF, CO, N2, C2H2, C2H4, C2H6, CO2, and N2O. The scalar relativistic effect on IPs and on DIPs are briefly addressed.

1.
K.
Siegbahn
,
C.
Nordling
,
G.
Johansson
,
J.
Hedman
,
P. F.
Hedén
,
K.
Hamrin
,
U.
Gelius
,
T.
Bergmark
,
L. O.
Werme
,
R.
Manne
, and
Y.
Baer
,
ESCA Applied to Free Molecules
(
North-Holland
,
Amsterdam
,
1971
).
2.
L. S.
Cederbaum
,
F.
Tarantelli
,
A.
Sgamellotti
, and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
85
,
6513
(
1986
).
3.
L. S.
Cederbaum
,
F.
Tarantelli
,
A.
Sgamellotti
, and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
86
,
2168
(
1987
).
4.
L. S.
Cederbaum
,
Phys. Rev. A
35
,
622
(
1987
).
5.
E. M.-L.
Ohrendorf
,
L. S.
Cederbaum
, and
F.
Tarantelli
,
Phys. Rev. A
44
,
205
(
1991
).
6.
H.
Ågren
and
H. J. Aa.
Jensen
,
Chem. Phys.
172
,
45
(
1993
).
7.
C.
Reynaud
,
M. -A.
Gaveau
,
K.
Bisson
,
Ph.
Millié
,
I.
Nenner
,
S.
Bodeur
,
P.
Archirel
, and
B.
Lévy
,
J. Phys. B
29
,
5403
(
1996
).
8.
E. P.
Kanter
,
R. W.
Dunford
,
B.
Krässig
,
S. H.
Southworth
, and
L.
Young
,
Radiat. Phys. Chem.
75
,
2174
(
2006
).
9.
J.
Hoszowska
,
A. K.
Kheifets
,
J. -Cl.
Dousse
,
M.
Berset
,
I.
Bray
,
W.
Cao
,
K.
Fennane
,
Y.
Kayser
,
M.
Kavcic
,
J.
Szlachetko
, and
M.
Szlachetko
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073006
(
2009
).
10.
J.
Feldhaus
,
J.
Arthur
, and
J. B.
Hastings
,
J. Phys. B
38
,
S799
(
2005
).
11.
DESY XFEL Project Group
,
M.
Altarelli
,
R.
Brinkmann
,
M.
Chergui
,
W.
Decking
,
B.
Dobson
,
S.
Düsterer
,
G.
Grübel
,
W.
Graeff
,
H.
Graafsma
,
J.
Hajdu
,
J.
Marangos
,
J.
Pflüger
,
H.
Redlin
,
D.
Riley
,
I.
Robinson
,
J.
Rossbach
,
A.
Schwarz
,
K.
Tiedtke
,
T.
Tschentscher
,
I.
Vartaniants
,
H.
Wabnitz
,
H.
Weise
,
R.
Wichmann
,
K.
Witte
,
A.
Wolf
,
M.
Wulff
, and
M.
Yurkov
, “
The technical design report of the European XFEL
,” Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Report No. DESY 2006–097, Notkestraße 85, 22607 Hamburg, Germany, July
2006
.
12.
T.
Shintake
,
H.
Tanaka
,
T.
Hara
,
T.
Tanaka
,
K.
Togawa
,
M.
Yabashi
,
Y.
Otake
,
Y.
Asano
,
T.
Bizen
,
T.
Fukui
,
S.
Goto
,
A.
Higashiya
,
T.
Hirono
,
N.
Hosoda
,
T.
Inagaki
,
S.
Inoue
,
M.
Ishii
,
Y.
Kim
,
H.
Kimura
,
M.
Kitamura
,
T.
Kobayashi
,
H.
Maesaka
,
T.
Masuda
,
S.
Matsui
,
T.
Matsushita
,
X.
Marechal
,
M.
Nagasono
,
H.
Ohashi
,
T.
Ohata
,
T.
Ohshima
,
K.
Onoe
,
K.
Shirasawa
,
T.
Takagi
,
S.
Takahashi
,
M.
Takeuchi
,
K.
Tamasaku
,
R.
Tanaka
,
Y.
Tanaka
,
T.
Tanikawa
,
T.
Togashi
,
S.
Wu
,
A.
Yamashita
,
K.
Yanagida
,
C.
Zhang
,
H.
Kitamura
, and
T.
Ishikawa
,
Nat. Photonics
2
,
555
(
2008
);
T.
Tanaka
and
T.
Shintake
, “
SCSS X-FEL: Conceptual design report
,” RIKEN Harima Institute/SPring-8, 1-1-1 Kouto, Mikazuki, Sayo, Hyogo 679-5148, Japan, May
2005
.
13.
A. A.
Sorokin
,
S. V.
Bobashev
,
K.
Tiedtke
, and
M.
Richter
,
J. Phys. B
39
,
L299
(
2006
).
14.
A.
Föhlisch
,
M.
Nagasono
,
M.
Deppe
,
E.
Suljoti
,
F.
Hennies
,
A.
Pietzsch
, and
W.
Wurth
,
Phys. Rev. A
76
,
013411
(
2007
).
15.
T.
Sato
,
T.
Okino
,
K.
Yamanouchi
,
A.
Yagishita
,
F.
Kannari
,
K.
Yamakawa
,
K.
Midorikawa
,
H.
Nakano
,
M.
Yabashi
,
M.
Nagasono
, and
T.
Ishikawa
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
154103
(
2008
).
16.
Y. H.
Jiang
,
A.
Rudenko
,
M.
Kurka
,
K. U.
Kühnel
,
T.
Ergler
,
L.
Foucar
,
M.
Schöffler
,
S.
Schössler
,
T.
Havermeier
,
M.
Smolarski
,
K.
Cole
,
R.
Dörner
,
S.
Düsterer
,
R.
Treusch
,
M.
Gensch
,
C. D.
Schröter
,
R.
Moshammer
, and
J.
Ullrich
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
123002
(
2009
).
17.
H.
Fukuzawa
,
K.
Motomura
,
X. -J.
Liu
,
G.
Pruemper
,
M.
Okunishi
,
K.
Ueda
,
N.
Saito
,
H.
Iwayama
,
K.
Nagaya
,
M.
Yao
,
M.
Nagasono
,
A.
Higashiya
,
M.
Yabashi
,
T.
Ishikawa
,
H.
Ohashi
, and
H.
Kimura
,
J. Phys. B
42
,
181001
(
2009
).
18.
Wilson-Squire Group
,
J.
Arthur
,
P.
Anfinrud
,
P.
Audebert
,
K.
Bane
,
I.
Ben-Zvi
,
V.
Bharadwaj
,
R.
Bionta
,
P.
Bolton
,
M.
Borland
,
P. H.
Bucksbaum
,
R. C.
Cauble
,
J.
Clendenin
,
M.
Cornacchia
,
G.
Decker
,
P.
Den Hartog
,
S.
Dierker
,
D.
Dowell
,
D.
Dungan
,
P.
Emma
,
I.
Evans
,
G.
Faigel
,
R.
Falcone
,
W. M.
Fawley
,
M.
Ferrario
,
A. S.
Fisher
,
R. R.
Freeman
,
J.
Frisch
,
J.
Galayda
,
J. -C.
Gauthier
,
S.
Gierman
,
E.
Gluskin
,
W.
Graves
,
J.
Hajdu
,
J.
Hastings
,
K.
Hodgson
,
Z.
Huang
,
R.
Humphry
,
P.
Ilinski
,
D.
Imre
,
C.
Jacobsen
,
C. -C.
Kao
,
K. R.
Kase
,
K. -J.
Kim
,
R.
Kirby
,
J.
Kirz
,
L.
Klaisner
,
P.
Krejcik
,
K.
Kulander
,
O. L.
Landen
,
R. W.
Lee
,
C.
Lewis
,
C.
Limborg
,
E. I.
Lindau
,
A.
Lumpkin
,
G.
Materlik
,
S.
Mao
,
J.
Miao
,
S.
Mochrie
,
E.
Moog
,
S.
Milton
,
G.
Mulhollan
,
K.
Nelson
,
W. R.
Nelson
,
R.
Neutze
,
A.
Ng
,
D.
Nguyen
,
H. -D.
Nuhn
,
D. T.
Palmer
,
J. M.
Paterson
,
C.
Pellegrini
,
S.
Reiche
,
M.
Renner
,
D.
Riley
,
C. V.
Robinson
,
S. H.
Rokni
,
S. J.
Rose
,
J.
Rosenzweig
,
R.
Ruland
,
G.
Ruocco
,
D.
Saenz
,
S.
Sasaki
,
D.
Sayre
,
J.
Schmerge
,
D.
Schneider
,
C.
Schroeder
,
L.
Serafini
,
F.
Sette
,
S.
Sinha
,
D.
van der Spoel
,
B.
Stephenson
,
G.
Stupakov
,
M.
Sutton
,
A.
Szöke
,
R.
Tatchyn
,
A.
Toor
,
E.
Trakhtenberg
,
I.
Vasserman
,
N.
Vinokurov
,
X. J.
Wang
,
D.
Waltz
,
J. S.
Wark
,
E.
Weckert
,
H.
Winick
,
M.
Woodley
,
A.
Wootton
,
M.
Wulff
,
M.
Xie
,
R.
Yotam
,
L.
Young
, and
A.
Zewail
, “
Linac coherent light source (LCLS): Conceptual design report
,” Report Nos. SLAC-R-593 and UC-414, April
2002
.
19.
P.
Emma
,
K.
Bane
,
M.
Cornacchia
,
Z.
Huang
,
H.
Schlarb
,
G.
Stupakov
, and
D.
Walz
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
074801
(
2004
).
20.
J.
Galayda
, personal communication (
2009
).
21.
R.
Santra
,
N. V.
Kryzhevoi
, and
L. S.
Cederbaum
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
013002
(
2009
).
22.
P. S.
Bagus
,
Phys. Rev.
139
,
A619
(
1965
).
23.
H. -J.
Werner
and
P. J.
Knowles
,
J. Chem. Phys.
82
,
5053
(
1985
).
24.
C.
Hampel
,
K.
Peterson
, and
H. -J.
Werner
,
Chem. Phys. Lett.
190
,
1
(
1992
).
25.
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
26.
S. F.
Boys
, in
Quantum Theory of Atoms, Molecules and the Solid State
, edited by
P. O.
Löwdin
(
Academic
,
New York
,
1966
), p.
253
.
27.
A.
Denis
,
J.
Langlet
, and
J. P.
Malrieu
,
Theor. Chim. Acta
38
,
49
(
1975
).
28.
L. S.
Cederbaum
and
W.
Domcke
,
J. Chem. Phys.
66
,
5084
(
1977
).
29.
M.
Douglas
and
N. M.
Kroll
,
Ann. Phys.
82
,
89
(
1974
).
30.
B. A.
Hess
,
Phys. Rev. A
32
,
756
(
1985
).
31.
B. A.
Hess
,
J. Chem. Phys.
33
,
3742
(
1986
).
32.
M.
Reiher
and
A.
Wolf
,
J. Chem. Phys.
121
,
2037
(
2004
).
33.
M.
Reiher
and
A.
Wolf
,
J. Chem. Phys.
121
,
10945
(
2004
).
34.
MOLPRO, a package of ab initio programs designed by
H. -J.
Werner
and
P. J.
Knowles
, version 2008,
R.
Lindh
,
F. R.
Manby
,
M.
Schütz
 et al.
35.
L. S.
Cederbaum
,
W.
Domcke
, and
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
22
,
206
(
1980
).
36.
D.
Datta
and
D.
Mukherjee
,
J. Chem. Phys.
131
,
044124
(
2009
).
37.
B. T.
Pickup
and
O.
Goscinski
,
Mol. Phys.
26
,
1013
(
1973
).
38.
A. A.
Bakke
,
A. W.
Chen
, and
W. L.
Jolly
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
20
,
333
(
1980
).
39.
J.
Schirmer
,
G.
Angonoa
,
S.
Svensson
,
D.
Nordfors
, and
U.
Gelius
,
J. Phys. B
20
,
6031
(
1987
).
40.
B.
Kempgens
,
H.
Köppel
,
A.
Kivimäki
,
M.
Neeb
,
L. S.
Cederbaum
, and
A. M.
Bradshaw
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3617
(
1997
).
41.
M.
Ehara
,
K.
Kuramoto
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Hoshino
,
T.
Tanaka
,
M.
Kitajima
,
H.
Tanaka
,
Y.
Tamenori
,
A. D.
Fanis
, and
K.
Ueda
,
J. Chem. Phys.
125
,
114304
(
2006
).
42.
M.
Ehara
,
R.
Tamaki
,
H.
Nakatsuji
,
R. R.
Lucchese
,
J.
Söderström
,
T.
Tanaka
,
M.
Hoshino
,
M.
Kitajima
,
H.
Tanaka
,
A. D.
Fanis
, and
K.
Ueda
,
Chem. Phys. Lett.
438
,
14
(
2007
).
43.
M.
Ehara
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Matsumoto
,
T.
Hatamoto
,
X. -J.
Liu
,
T.
Lischke
,
G.
Pruemper
,
T.
Tanaka
,
C.
Makochekanwa
,
M.
Hoshino
,
H.
Tanaka
,
J. R.
Harries
,
Y.
Tamenori
, and
K.
Ueda
,
J. Chem. Phys.
124
,
124311
(
2006
).
44.
T.
Hatamoto
,
M.
Matsumoto
,
X. -J.
Liu
,
K.
Ueda
,
M.
Hoshino
,
K.
Nakagawa
,
T.
Tanaka
,
H.
Tanaka
,
M.
Ehara
,
R.
Tamaki
, and
H.
Nakatsuji
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
155
,
54
(
2007
).
45.
G.
Angonoa
,
O.
Walter
, and
J.
Schirmer
,
J. Chem. Phys.
87
,
6789
(
1987
).
46.
M.
Ehara
,
K.
Kuramoto
, and
H.
Nakatsuji
,
Chem. Phys.
356
,
195
(
2009
).
You do not currently have access to this content.