We report an implementation for employing the algebraic diagrammatic construction to second order [ADC(2)] ab initio electronic structure level of theory in nonadiabatic dynamics simulations in the framework of the SHARC (surface hopping including arbitrary couplings) dynamics method. The implementation is intended to enable computationally efficient, reliable, and easy-to-use nonadiabatic dynamics simulations of intersystem crossing in organic molecules. The methodology is evaluated for the 2-thiouracil molecule. It is shown that ADC(2) yields reliable excited-state energies, wave functions, and spin-orbit coupling terms for this molecule. Dynamics simulations are compared to previously reported results using high-level multi-state complete active space perturbation theory, showing favorable agreement.

1.
M.
Klessinger
and
J.
Michl
,
Excited States and Photochemistry of Organic Molecules
(
VCH Publishers Inc.
,
New York
,
1995
).
2.
N. J.
Turro
,
J. C.
Scaiano
, and
V.
Ramamurthy
,
Principles of Molecular Photochemistry: An Introduction
(
University Science Books
,
Sausalito, CA
,
2009
).
3.
J. L.
Segura
,
N.
Martin
, and
D. M.
Guldi
,
Chem. Soc. Rev.
34
,
31
(
2005
).
4.
M. T.
Colvin
,
A. B.
Ricks
,
A. M.
Scott
,
A. L.
Smeigh
,
R.
Carmieli
,
T.
Miura
, and
M. R.
Wasielewski
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1240
(
2011
).
5.
H.
Uoyama
,
K.
Goushi
,
K.
Shizu
,
H.
Nomura
, and
C.
Adachi
,
Nature
492
,
234
(
2012
).
6.
A. J.
Epstein
,
MRS Bull.
28
,
492
(
2003
).
7.
P.
Gütlich
,
A.
Hauser
, and
H.
Spiering
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
33
,
2024
(
1994
).
8.
S.
Roy
,
C. P.
Singh
, and
K. P. J.
Reddy
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
2656
(
2000
).
9.
T.
Saito
and
W.
Thiel
,
J. Phys. Chem. B
118
,
5034
(
2014
).
10.
M.
Barbatti
,
A. C.
Borin
, and
S.
Ullrich
, in
Photoinduced Phenomena in Nucleic Acids I
, Topics in Current Chemistry Vol. 355, edited by
M.
Barbatti
,
A. C.
Borin
, and
S.
Ullrich
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2015
), pp.
1
32
.
11.
D. E. J. G. J.
Dolmans
,
D.
Fukumura
, and
R. K.
Jain
,
Nat. Rev. Cancer
3
,
380
(
2003
).
12.
H.
Yersin
,
Transition Metal and Rare Earth Compounds III: Excited States, Transitions, Interactions
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2004
), Vol. 241, pp.
1
26
.
13.
J. K.
McCusker
,
Acc. Chem. Res.
36
,
876
(
2003
).
14.
L. S.
Forster
,
Coord. Chem. Rev.
250
,
2023
(
2006
).
15.
A.
Vlček
, “
Ultrafast excited-state processes in Re(i) carbonyl-diimine complexes: From excitation to photochemistry
,” in
Photophysics of Organometallics
, edited by
A. J.
Lees
(
Springer Berlin Heidelberg
,
Berlin, Heidelberg
,
2010
), pp.
115
158
.
16.
A.
Cannizzo
,
C.
Milne
,
C.
Consani
,
W.
Gawelda
,
C.
Bressler
,
F.
van Mourik
, and
M.
Chergui
,
Coord. Chem. Rev.
254
,
2677
(
2010
).
17.
G.
Auböck
and
M.
Chergui
,
Nat. Chem.
7
,
629
(
2015
).
18.
S.
Aloïse
,
C.
Ruckebusch
,
L.
Blanchet
,
J.
Réhault
,
G.
Buntinx
, and
J.-P.
Huvenne
,
J. Phys. Chem. A
112
,
224
(
2008
).
19.
M.
Huix-Rotllant
,
D.
Siri
, and
N.
Ferré
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
19293
(
2013
).
20.
T.
Kobayashi
,
H.
Kuramochi
,
Y.
Harada
,
T.
Suzuki
, and
T.
Ichimura
,
J. Phys. Chem. A
113
,
12088
(
2009
).
21.
S.
Matsika
, in
Photoinduced Phenomena in Nucleic Acids I
, Topics in Current Chemistry Vol. 355, edited by
M.
Barbatti
,
A. C.
Borin
, and
S.
Ullrich
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2015
), pp.
209
243
.
22.
M.
Pollum
,
L.
Martínez-Fernández
, and
C. E.
Crespo-Hernández
, in
Photoinduced Phenomena in Nucleic Acids I
, Topics in Current Chemistry Vol. 355, edited by
M.
Barbatti
,
A. C.
Borin
, and
S.
Ullrich
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2015
), pp.
245
327
.
23.
K. G.
Dyall
and
K.
Fægri
,
Introduction to Relativistic Quantum Chemistry
(
Oxford University Press
,
2007
).
24.
M.
Reiher
and
A.
Wolf
,
Relativistic Quantum Chemistry
(
Wiley VCH Verlag
,
Weinheim
,
2009
).
25.
C. M.
Marian
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
187
(
2012
).
26.
J.
Eng
,
C.
Gourlaouen
,
E.
Gindensperger
, and
C.
Daniel
,
Acc. Chem. Res.
48
,
809
(
2015
).
27.
M.
Fumanal
,
E.
Gindensperger
, and
C.
Daniel
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1293
(
2017
).
28.
G.
Capano
,
T. J.
Penfold
,
M.
Chergui
, and
I.
Tavernelli
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
19590
(
2017
).
29.
J. C.
Tully
,
J. Chem. Phys.
93
,
1061
(
1990
).
30.
M.
Barbatti
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
620
(
2011
).
31.
G.
Granucci
,
M.
Persico
, and
G.
Spighi
,
J. Chem. Phys.
137
,
22A501
(
2012
).
32.
G.
Cui
and
W.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
141
,
124101
(
2014
).
33.
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
Int. J. Quantum Chem.
115
,
1215
(
2015
).
34.
F.
Franco de Carvalho
and
I.
Tavernelli
,
J. Chem. Phys.
143
,
224105
(
2015
).
35.
B. F. E.
Curchod
,
C.
Rauer
,
P.
Marquetand
,
L.
González
, and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Phys.
144
,
101102
(
2016
).
36.
M.
Richter
,
P.
Marquetand
,
J.
González-Vázquez
,
I.
Sola
, and
L.
González
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
1253
(
2011
).
37.
S.
Mai
,
M.
Richter
,
M.
Ruckenbauer
,
M.
Oppel
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
, “
SHARC: Surface hopping including arbitrary couplings–program package for non-adiabatic dynamics
,” sharc-md.org (
2014
).
38.
L.
Martínez-Fernández
,
I.
Corral
,
G.
Granucci
, and
M.
Persico
,
Chem. Sci.
5
,
1336
(
2014
).
39.
L.
Favero
,
G.
Granucci
, and
M.
Persico
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
10499
(
2016
).
40.
M.
Richter
,
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
24423
(
2014
).
41.
M.
Marazzi
,
S.
Mai
,
D.
Roca-Sanjuán
,
M. G.
Delcey
,
R.
Lindh
,
L.
González
, and
A.
Monari
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
622
(
2016
).
42.
M.
Pederzoli
and
J.
Pittner
,
J. Chem. Phys.
146
,
114101
(
2017
).
43.
D.
Bellshaw
,
D. A.
Horke
,
A. D.
Smith
,
H. M.
Watts
,
E.
Jager
,
E.
Springate
,
O.
Alexander
,
C.
Cacho
,
R. T.
Chapman
,
A.
Kirrander
, and
R. S.
Minns
,
Chem. Phys. Lett.
683
,
383
(
2017
).
44.
H.
Tao
,
B. G.
Levine
, and
T. J.
Martínez
,
J. Phys. Chem. A
113
,
13656
(
2009
).
45.
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1978
(
2016
).
46.
J. W.
Park
and
T.
Shiozaki
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
3676
(
2017
).
47.
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
J. Chem. Phys.
140
,
204302
(
2014
).
48.
S.
Mai
,
M.
Pollum
,
L.
Martínez-Fernández
,
N.
Dunn
,
P.
Marquetand
,
I.
Corral
,
C. E.
Crespo-Hernández
, and
L.
González
,
Nat. Commun.
7
,
13077
(
2016
).
49.
A. C.
Borin
,
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
5888
(
2017
).
50.
F.
Peccati
,
S.
Mai
, and
L.
González
,
Philos. Trans. R. Soc., A
375
,
20160202
(
2017
).
51.
A. J.
Atkins
and
L.
González
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
3840
(
2017
).
52.
“TURBOMOLE v7.0, A development of University of Karlsruhe and forschungszentrum karlsruhe GmbH,” 2015.
53.
F.
Plasser
,
R.
Crespo-Otero
,
M.
Pederzoli
,
J.
Pittner
,
H.
Lischka
, and
M.
Barbatti
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1395
(
2014
).
54.
M.
Pabst
, “
Übergangsmomente zwischen angeregten zuständen mit der RI-CC2 methode: Implementierung und anwendung auf triplett-excimere
,” Ph.D. thesis,
Johannes Gutenberg-Universität in Mainz
,
2011
.
55.
C. M.
Krauter
,
B.
Schimmelpfennig
,
M.
Pernpointner
, and
A.
Dreuw
,
Chem. Phys.
482
,
286
(
2017
), electrons and nuclei in motion - correlation and dynamics in molecules (on the occasion of the 70th birthday of Lorenz S. Cederbaum).
56.
B.
Helmich-Paris
,
C.
Hättig
, and
C.
van Wüllen
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
1892
(
2016
).
57.
S.
Knippenberg
,
D. R.
Rehn
,
M.
Wormit
,
J. H.
Starcke
,
I. L.
Rusakova
,
A. B.
Trofimov
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
136
,
064107
(
2012
).
58.
J.
Schirmer
and
A. B.
Trofimov
,
J. Chem. Phys.
120
,
11449
(
2004
).
59.
M.
Pabst
and
A.
Köhn
,
J. Chem. Phys.
129
,
214101
(
2008
).
60.
C.
Hättig
and
F.
Weigend
,
J. Chem. Phys.
113
,
5154
(
2000
).
61.
X.
Gao
,
S.
Bai
,
D.
Fazzi
,
T.
Niehaus
,
M.
Barbatti
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
515
(
2017
).
62.
M.
Pollum
and
C. E.
Crespo-Hernández
,
J. Chem. Phys.
140
,
071101
(
2014
).
63.
H.
Yu
,
J. A.
Sánchez-Rodríguez
,
M.
Pollum
,
C. E.
Crespo-Hernández
,
S.
Mai
,
P.
Marquetand
,
L.
González
, and
S.
Ullrich
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
20168
(
2016
).
64.
J. A.
Sanchez-Rodriguez
,
A.
Mohamadzade
,
S.
Mai
,
B.
Ashwood
,
M.
Pollum
,
P.
Marquetand
,
L.
González
,
C. E.
Crespo-Hernández
, and
S.
Ullrich
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
19756
(
2017
).
65.
G.
Cui
and
W.-H.
Fang
,
J. Chem. Phys.
138
,
044315
(
2013
).
66.
J. P.
Gobbo
and
A. C.
Borin
,
Comput. Theor. Chem.
1040-1041
,
195
(
2014
).
67.
S.
Mai
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
J. Phys. Chem. A
119
,
9524
(
2015
).
69.
G.
Granucci
,
M.
Persico
, and
A.
Toniolo
,
J. Chem. Phys.
114
,
10608
(
2001
).
70.
F.
Plasser
,
G.
Granucci
,
J.
Pittner
,
M.
Barbatti
,
M.
Persico
, and
H.
Lischka
,
J. Chem. Phys.
137
,
22A514
(
2012
).
71.
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
26
,
2395
(
1982
).
72.
A. B.
Trofimov
and
J.
Schirmer
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
28
,
2299
(
1995
).
73.
C.
Hättig
,
Adv. Quantum Chem.
50
,
37
(
2005
).
74.
C.
Hättig
and
A.
Köhn
,
J. Chem. Phys.
117
,
6939
(
2002
).
75.
A.
Berning
,
M.
Schweizer
,
H.
Werner
,
P. J.
Knowles
, and
P.
Palmieri
,
Mol. Phys.
98
,
1823
(
2000
).
76.
F.
Neese
,
J. Chem. Phys.
122
,
034107
(
2005
).
77.
S.
Hammes-Schiffer
and
J. C.
Tully
,
J. Chem. Phys.
101
,
4657
(
1994
).
78.
E.
Tapavicza
,
I.
Tavernelli
, and
U.
Rothlisberger
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
023001
(
2007
).
79.
R.
Mitrić
,
U.
Werner
, and
V.
Bonačić-Koutecký
,
J. Chem. Phys.
129
,
164118
(
2008
).
80.
J.
Pittner
,
H.
Lischka
, and
M.
Barbatti
,
Chem. Phys.
356
,
147
(
2009
).
81.
F.
Plasser
,
M.
Ruckenbauer
,
S.
Mai
,
M.
Oppel
,
P.
Marquetand
, and
L.
González
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
1207
(
2016
).
82.
P. H. P.
Harbach
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
141
,
064113
(
2014
).
83.
A.
Dreuw
and
M.
Wormit
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
5
,
82
(
2015
).
84.
K.
Andersson
,
P.-Å.
Malmqvist
,
B. O.
Roos
,
A. J.
Sadlej
, and
K.
Wolinski
,
J. Phys. Chem.
94
,
5483
(
1990
).
85.
F.
Weigend
and
R.
Ahlrichs
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
7
,
3297
(
2005
).
86.
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
87.
F.
Neese
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
73
(
2012
).
88.
Y.
Shao
,
L. F.
Molnar
,
Y.
Jung
,
J.
Kussmann
,
C.
Ochsenfeld
,
S. T.
Brown
,
A. T.
Gilbert
,
L. V.
Slipchenko
,
S. V.
Levchenko
,
D. P.
O’Neill
,
R. A.
DiStasio
, Jr.
,
R. C.
Lochan
,
T.
Wang
,
G. J.
Beran
,
N. A.
Besley
,
J. M.
Herbert
,
C.
Yeh Lin
,
T.
Van Voorhis
,
S.
Hung Chien
,
A.
Sodt
,
R. P.
Steele
,
V. A.
Rassolov
,
P. E.
Maslen
,
P. P.
Korambath
,
R. D.
Adamson
,
B.
Austin
,
J.
Baker
,
E. F. C.
Byrd
,
H.
Dachsel
,
R. J.
Doerksen
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
A. D.
Dutoi
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
A.
Heyden
,
S.
Hirata
,
C.-P.
Hsu
,
G.
Kedziora
,
R. Z.
Khalliulin
,
P.
Klunzinger
,
A. M.
Lee
,
M. S.
Lee
,
W.
Liang
,
I.
Lotan
,
N.
Nair
,
B.
Peters
,
E. I.
Proynov
,
P. A.
Pieniazek
,
Y.
Min Rhee
,
J.
Ritchie
,
E.
Rosta
,
C.
David Sherrill
,
A. C.
Simmonett
,
J. E.
Subotnik
,
H.
Lee Woodcock
 III
,
W.
Zhang
,
A. T.
Bell
,
A. K.
Chakraborty
,
D. M.
Chipman
,
F. J.
Keil
,
A.
Warshel
,
W. J.
Hehre
,
H. F.
Schaefer
 III
,
J.
Kong
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
3172
(
2006
).
89.
F.
Aquilante
,
J.
Autschbach
,
R. K.
Carlson
,
L. F.
Chibotaru
,
M. G.
Delcey
,
L.
De Vico
,
I.Fdez.
Galván
.
N.
Ferré
,
L. M.
Frutos
,
L.
Gagliardi
,
M.
Garavelli
,
A.
Giussani
,
C. E.
Hoyer
,
G.
Li Manni
,
H.
Lischka
,
D.
Ma
,
P.-Å.
Malmqvist
,
T.
Müller
,
A.
Nenov
,
M.
Olivucci
,
T. B.
Pedersen
,
D.
Peng
,
F.
Plasser
,
B.
Pritchard
,
M.
Reiher
,
I.
Rivalta
,
I.
Schapiro
,
J.
Segarra-Martí
,
M.
Stenrup
,
D. G.
Truhlar
,
L.
Ungur
,
A.
Valentini
,
S.
Vancoillie
,
V.
Veryazov
,
V. P.
Vysotskiy
,
O.
Weingart
,
F.
Zapata
, and
R.
Lindh
,
J. Comput. Chem.
37
,
506
(
2015
).
90.
B. O.
Roos
,
P. R.
Taylor
, and
P. E. M.
Siegbahn
,
Chem. Phys.
48
,
157
(
1980
).
91.
J. P.
Zobel
,
J. J.
Nogueira
, and
L.
González
,
Chem. Sci.
8
,
1482
(
2017
).
92.
G.
Ghigo
,
B. O.
Roos
, and
P.-Å.
Malmqvist
,
Chem. Phys. Lett.
396
,
142
(
2004
).
93.
P.-Å.
Malmqvist
,
B. O.
Roos
, and
B.
Schimmelpfennig
,
Chem. Phys. Lett.
357
,
230
(
2002
).
94.
B. A.
Heß
,
C. M.
Marian
,
U.
Wahlgren
, and
O.
Gropen
,
Chem. Phys. Lett.
251
,
365
(
1996
).
95.
R. L.
Martin
,
J. Chem. Phys.
118
,
4775
(
2003
).
96.
F.
Plasser
and
H.
Lischka
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
2777
(
2012
).
97.
F.
Plasser
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
141
,
024106
(
2014
).
98.
F.
Plasser
, “
TheoDORE 1.4: A package for theoretical density, orbital relaxation, and exciton analysis
,” http://theodore-qc.sourceforge.net (
2017
).
99.
F.
Plasser
,
S. A.
Mewes
,
A.
Dreuw
, and
L.
González
, “
Detailed wavefunction analysis for multireference methods: Implementation in the Molcas program package and applications to tetracene”
J. Chem. Theory Comput.
(published online).
100.
M.
Barbatti
,
G.
Granucci
,
M.
Persico
,
M.
Ruckenbauer
,
M.
Vazdar
,
M.
Eckert-Maksic
, and
H.
Lischka
,
J. Photochem. Photobiol. A
190
,
228
(
2007
).
101.
G.
Granucci
and
M.
Persico
,
J. Chem. Phys.
126
,
134114
(
2007
).
102.
A.
Khvorostov
,
L.
Lapinski
,
H.
Rostkowska
, and
M. J.
Nowak
,
J. Phys. Chem. A
109
,
7700
(
2005
).
103.
J. H.
Starcke
,
M.
Wormit
,
J.
Schirmer
, and
A.
Dreuw
,
Chem. Phys.
329
,
39
(
2006
).
104.
F.
Plasser
and
A.
Dreuw
,
J. Phys. Chem. A
119
,
1023
(
2015
).
105.
K.
Hald
,
C.
Hättig
,
D. L.
Yeager
, and
P.
Jørgensen
,
Chem. Phys. Lett.
328
,
291
(
2000
).
106.
C.
Hättig
,
A.
Köhn
, and
K.
Hald
,
J. Chem. Phys.
116
,
5401
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.