We report an accurate study of interactions between benzene molecules using variational quantum Monte Carlo (VMC) and diffusion quantum Monte Carlo (DMC) methods. We compare these results with density functional theory using different van der Waals functionals. In our quantum Monte Carlo (QMC) calculations, we use accurate correlated trial wave functions including three-body Jastrow factors and backflow transformations. We consider two benzene molecules in the parallel displaced geometry, and find that by highly optimizing the wave function and introducing more dynamical correlation into the wave function, we compute the weak chemical binding energy between aromatic rings accurately. We find optimal VMC and DMC binding energies of −2.3(4) and −2.7(3) kcal/mol, respectively. The best estimate of the coupled-cluster theory through perturbative triplets/complete basis set limit is −2.65(2) kcal/mol [Miliordos et al., J. Phys. Chem. A 118, 7568 (2014)]. Our results indicate that QMC methods give chemical accuracy for weakly bound van der Waals molecular interactions, comparable to results from the best quantum chemistry methods.

1.
L.
Béguin
,
A.
Vernier
,
R.
Chicireanu
,
T.
Lahaye
, and
A.
Browaeys
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
263201
(
2013
).
2.
C. A.
Hunter
,
J.
Singh
, and
J.
Thornton
,
J. Mol. Biol.
218
,
837
(
1991
).
3.
V. R.
Cooper
,
T.
Thonhauser
,
A.
Puzder
,
E.
Schroder
,
B. I.
Lundqvist
, and
D. C.
Langreth
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
1304
(
2008
).
4.
R. E.
Babine
and
S. L.
Bender
,
Chem. Rev.
97
,
1359
(
1997
).
5.
C.
Wang
,
H.
Dong
,
W.
Hu
,
Y.
Liu
, and
D.
Zhu
,
Chem. Rev.
112
,
2208
(
2012
).
6.
K. Y.
Suponitsky
and
A. E.
Masunov
,
J. Chem. Phys.
139
,
094310
(
2013
).
7.
C.
Pan
,
K.
Sugiyasu
,
Y.
Wakayama
,
A.
Sato
, and
M.
Takeuchi
,
Angew. Chem., Int. Ed.
52
,
10775
(
2013
).
8.
A.
Sygula
,
F. R.
Fronczek
,
R.
Sygula
, and
P. W.
Rabideau
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
3842
(
2007
).
9.
A.
Portell
,
M.
Font-Bardia
, and
R.
Prohens
,
Cryst. Growth Des.
13
,
4200
(
2013
).
10.
X.-D.
Wen
,
R.
Hoffmann
, and
N. W.
Ashcroft
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
9023
(
2011
).
11.
L. A.
Burns
,
M. S.
Marshall
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
141
,
234111
(
2014
).
12.
J.
Yang
,
W.
Hu
,
D.
Usvyat
,
D.
Matthews
,
M.
Schutz
, and
G. K.-L.
Chan
,
Science
345
,
640
(
2014
).
13.
M.
Elstner
,
P.
Hobza
,
T.
Frauenheim
,
S.
Suhai
, and
E.
Kaxiras
,
J. Chem. Phys.
114
,
5149
(
2001
).
14.
Q.
Wu
and
W.
Yang
,
J. Chem. Phys.
116
,
515
(
2002
).
15.
A.
Tkatchenko
and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073005
(
2009
).
16.
A.
Tkatchenko
,
R. A.
DiStasio
, Jr.
,
R.
Car
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
236402
(
2012
).
17.
A.
Ambrosetti
,
A. M.
Reilly
,
R. A.
DiStasio
,
A.
, Jr.
, and
Tkatchenko
,
J. Chem. Phys.
140
,
18A508
(
2014
).
18.
A. M.
Reilly
and
A.
Tkatchenko
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
055701
(
2014
).
19.
O. A.
von Lilienfeld
,
I.
Tavernelli
,
U.
Rothlisberger
, and
D.
Sebastiani
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
15300
(
2004
).
20.
A. D.
Becke
and
E. R.
Johnson
,
J. Chem. Phys.
123
,
154101
(
2005
).
21.
A.
Heßelmann
,
G.
Jansen
, and
M.
Schütz
,
J. Chem. Phys.
122
,
014103
(
2005
).
22.
B.
Jeziorski
,
R.
Moszynski
, and
K.
Szalewicz
,
Chem. Rev.
94
,
1887
(
1994
).
23.
R. M.
Parrish
and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
141
,
044115
(
2014
).
24.
T. M.
Parker
,
L. A.
Burns
,
R. M.
Parrish
,
A. G.
Ryno
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
140
,
094106
(
2014
).
25.
M.
Dion
,
H.
Rydberg
,
E.
Schröder
,
D. C.
Langreth
, and
B. I.
Lundqvist
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
246401
(
2004
).
26.
K.
Lee
,
E. D.
Murray
,
L.
Kong
,
B. I.
Lundqvist
, and
D. C.
Langreth
,
Phys. Rev. B
82
,
081101(R)
(
2010
).
27.
G.
Graziano
,
J.
Klimeš
,
F.
Fernandez-Alonso
, and
A.
Michaelides
,
J. Phys.: Condens. Matter
24
,
424216
(
2012
).
28.
J.
Klimeš
,
D. R.
Bowler
, and
A.
Michaelides
,
Phys. Rev. B
83
,
195131
(
2012
).
29.
J.
Klimeš
and
A.
Michaelides
,
J. Chem. Phys.
137
,
120901
(
2012
).
30.
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
118
,
9095
(
2003
).
31.
T.
Takatani
,
E. G.
Hohenstein
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
128
,
124111
(
2008
).
32.
T.
Takatani
,
E. G.
Hohenstein
,
M.
Malagoli
,
M. S.
Marshall
, and
C. D.
Sherrill
,
J. Chem. Phys.
132
,
144104
(
2010
).
33.
A.
van der Avoird
,
R.
Podeszwa
,
K.
Szalewics
,
C.
Leforestier
,
R.
van Harrevelt
,
P. R.
Bunker
,
M.
Schnell
,
G.
von Helden
, and
G.
Meijer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
8219
(
2010
).
34.
K.
Raghavachari
,
G. W.
Trucks
,
J. A.
Pople
, and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
157
,
479
(
1989
).
35.
J.
Lee
and
G. E.
Scuseria
,
Quantum Mechanical Electronic Structure Calculations With Chemical Accuracy
(
Kluwer Academic
,
1995
).
36.
W. M. C.
Foulkes
,
L.
Mitas
,
R. J.
Needs
, and
G.
Rajagopal
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
33
(
2001
).
37.
S.
Azadi
,
B.
Monserrat
,
W. M. C.
Foulkes
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
165501
(
2014
).
38.
S.
Azadi
,
W. M. C.
Foulkes
, and
T. D.
Kühne
,
New J. Phys.
15
,
113005
(
2013
).
39.
S.
Azadi
and
W. M. C.
Foulkes
,
J. Chem. Phys.
143
,
102807
(
2015
).
40.
S. J.
Cox
,
M. D.
Towler
,
D.
Alfè
, and
A.
Michaelides
,
J. Chem. Phys.
140
,
174703
(
2014
).
41.
J.
Ma
,
A.
Michaelides
, and
D.
Alfè
,
J. Chem. Phys.
134
,
134701
(
2011
).
42.
Y. S.
Al-Hamdani
,
D.
Alfè
, and
O. A.
von Lilienfeld
,
J. Chem. Phys.
141
,
18C530
(
2014
).
43.
N. A.
Benedek
,
I. K.
Snook
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
125
,
104302
(
2006
).
44.
S.
Sorella
,
M.
Casula
, and
D.
Rocca
,
J. Chem. Phys.
127
,
014105
(
2007
).
45.
M.
Korth
,
A.
Lüchow
, and
S.
Grimme
,
J. Phys. Chem. A
112
,
2104
(
2008
).
46.
M.
Dubecký
,
P.
Jurečka
,
R.
Derian
,
P.
Hobza
,
M.
Otyepka
, and
L.
Mitas
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
4287
(
2013
).
47.
M. J.
Gillan
,
F. R.
Manby
,
M. D.
Towler
, and
D.
Alfè
,
J. Chem. Phys.
136
,
244105
(
2012
).
48.
D.
Alfè
,
A. P.
Bartók
,
G.
Csányi
, and
M. J.
Gillan
,
J. Chem. Phys.
141
,
014104
(
2014
).
49.
E.
Miliordos
,
E.
Aprà
, and
S. S.
Xantheas
,
J. Phys. Chem. A
118
,
7568
(
2014
).
50.
S.
Azadi
,
C.
Cavazzoni
, and
S.
Sorella
,
Phys. Rev. B
82
,
125112
(
2010
).
51.
R. J.
Needs
,
M. D.
Towler
,
N. D.
Drummond
, and
P. L.
Rìos
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
023201
(
2010
).
52.
P.
Giannozzi
 et al.,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
53.
D.
Alfè
and
M. J.
Gillan
,
Phys. Rev. B
70
,
161101(R)
(
2004
).
54.
W. D.
Parker
,
C. J.
Umrigar
,
D.
Alfè
,
F. R.
Petruzielo
,
R. G.
Henning
, and
J. W.
Wilkins
,
J. Comput. Phys.
287
,
77
(
2015
).
55.
J.
Walter
, Opium Pseuopotential Generation Project, http://opium.sourceforge.net.
56.
L.
Kleinman
and
D. M.
Bylander
,
Phys. Rev. Lett.
48
,
1425
(
1982
).
57.
58.
P. L.
Rìos
,
A.
Ma
,
N. D.
Drummond
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
74
,
066701
(
2006
).
59.
M. D.
Brown
,
J. R.
Trail
,
P. L.
Rìos
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
126
,
224110
(
2007
).
60.
N.
Nemec
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
132
,
034111
(
2010
).
61.
M.
Casula
,
M.
Marchi
,
S.
Azadi
, and
S.
Sorella
,
Chem. Phys. Lett.
477
,
255
(
2009
).
62.
M.
Marchi
,
S.
Azadi
,
M.
Casula
, and
S.
Sorella
,
J. Chem. Phys.
131
,
154116
(
2009
).
63.
M.
Marchi
,
S.
Azadi
, and
S.
Sorella
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
086807
(
2011
).
64.
C. J.
Umrigar
,
J.
Toulouse
,
C.
Filippi
,
S.
Sorella
, and
R. G.
Hennig
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
110201
(
2007
).
65.
J.
Toulouse
and
C. J.
Umrigar
,
J. Chem. Phys.
126
,
084102
(
2007
).
66.
C. J.
Umrigar
,
K. G.
Wilson
, and
J. W.
Wilkins
,
Phys. Rev. Lett.
60
,
1719
(
1988
).
67.
N. D.
Drummond
and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
72
,
085124
(
2005
).
68.
I. G.
Gurtubay
,
N. D.
Drummond
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
124
,
024318
(
2006
).
69.
N. D.
Drummond
,
P. L.
Ríos
,
A.
Ma
,
J. R.
Trail
,
G. G.
Spink
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
J. Chem. Phys.
124
,
224104
(
2006
).
70.
N. D.
Drummond
,
M. D.
Towler
, and
R. J.
Needs
,
Phys. Rev. B
70
,
235119
(
2004
).
71.
A. M.
Rappe
,
K. M.
Rabe
,
E.
Kaxiras
, and
J. D.
Joannopoulos
,
Phys. Rev. B
41
,
1227
(
1990
).
72.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
73.
W.
Scherzer
,
O.
Krätzschmar
,
H. L.
Selzle
, and
E. W.
Schlag
,
Z. Naturforsch., A
47
,
1248
(
1992
).
74.
S.
Tsuzuki
and
H. P.
Lüthi
,
J. Chem. Phys.
114
,
3949
(
2001
).
75.
S. L.
Price
and
A. J.
Stone
,
J. Chem. Phys.
86
,
2859
(
1987
).
76.
C. A.
Hunter
and
J. K. M.
Sanders
,
J. Am. Chem. Soc.
112
,
5525
(
1990
).
77.
P.
Hobza
,
H. L.
Selzle
, and
E. W.
Schlag
,
J. Am. Chem. Soc.
116
,
3500
(
1994
).
78.
P.
Hobza
,
H. L.
Selzle
, and
E. W.
Schlag
,
J. Chem. Phys.
100
,
18790
(
1996
).
79.
R. L.
Jaffe
and
G. D.
Smith
,
J. Chem. Phys.
105
,
2780
(
1996
).
80.
S.
Tsuzuki
,
T.
Uchimaru
,
M.
Mikami
, and
K.
Tanabe
,
Chem. Phys. Lett.
252
,
206
(
1996
).
81.
S.
Tsuzuki
,
T.
Uchimaru
,
K.
Matsumura
,
M.
Mikami
, and
K.
Tanabe
,
Chem. Phys. Lett.
319
,
547
(
2000
).
82.
V. R.
Cooper
,
Phys. Rev. B
81
,
161104(R)
(
2010
).
83.
K.
Berland
and
P.
Hyldgaard
,
Phys. Rev. B
89
,
035412
(
2014
).
84.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
85.
A. K.
Tummanapelli
and
S.
Vasudevan
,
J. Chem. Phys.
139
,
201102
(
2013
).
86.
K. S.
Law
,
M.
Schauer
, and
E. R.
Bernstein
,
J. Chem. Phys.
81
,
4871
(
1984
).
87.
K. O.
Bornsen
,
H. L.
Selzle
, and
E. W.
Schlag
,
J. Chem. Phys.
85
,
1726
(
1986
).
88.
J. R.
Grover
,
E. A.
Walters
, and
E. T.
Hui
,
J. Phys. Chem.
91
,
3233
(
1987
).
89.
M.
Piton̆ák
,
P.
Neogrády
,
J.
R̆ezác̆
,
P.
Jurec̆ka
,
M.
Urban
, and
P.
Hobza
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
1829
(
2008
).
90.
H.
Krause
,
B.
Ernstberger
, and
H. J.
Neusser
,
Chem. Phys. Lett.
184
,
411
(
1991
).
91.
M.
Holzmann
,
D. M.
Ceperley
,
C.
Pierleoni
, and
K.
Esler
,
Phys. Rev. E
68
,
046707
(
2003
).
92.
M. O.
Sinnokrot
and
C. D.
Sherrill
,
J. Phys. Chem. A
108
,
10200
(
2004
).
You do not currently have access to this content.