Complete-active-space self-consistent field (CASSCF) wave functions are central to understanding strongly correlated molecules as they capture the entirety of electronic interactions within a subset of the orbital space. The most interesting case for CASSCF is the full valence limit, where all bonding and an equal number of virtual orbitals are included in the active space, and no approximation is made in selecting the important valence orbitals or electrons. While conventional algorithms require exponential computational time to evaluate full valence CASSCF, this article shows that the method of increments can do the same with polynomial effort, in a new method denoted iCASSCF. The method of increments can also provide density matrices and other necessary ingredients for the construction of the nuclear gradient. These goals are met through a many-body expansion that breaks the problem into smaller pieces that are subsequently reassembled to form close approximations of conventional CAS results. Practical demonstrations on a number of medium-sized molecules, with up to 116 valence electrons correlated in 116 orbitals, show the power of this methodology.

1.
B. O.
Roos
,
Int. J. Quantum Chem.
18
,
175
189
(
1980
).
2.
B. O.
Roos
,
P. R.
Taylor
, and
P. E. M.
Siegbahn
,
Chem. Phys.
48
,
157
173
(
1980
).
3.
B. O.
Roos
,
P. R.
Taylor
, and
P. E. M.
Siegbahn
, “
The complete active space self-consistent field method and its applications in electronic structure calculations
,” in
Advances in Chemical Physics
, edited by
K. P.
Lawley
(
Wiley
,
1987
), Vol. 69.
4.
H.-J.
Werner
and
P. J.
Knowles
,
J. Chem. Phys.
82
,
5053
(
1985
).
5.
K.
Ruedenberg
,
M. W.
Schmidt
,
M. M.
Gilbert
, and
S. T.
Eliot
,
Chem. Phys.
71
,
41
(
1982
).
6.
G.
Chaban
,
M. W.
Schmidt
, and
M. S.
Gordon
,
Theor. Chem. Acc.
97
,
88
95
(
1997
).
7.
M. W.
Schmidt
and
M. S.
Gordon
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
49
,
233
266
(
1998
).
8.
P. G.
Szalay
,
T.
Mueller
,
G.
Gidofalvi
,
H.
Lischka
, and
R.
Shepard
,
Chem. Rev.
112
,
108
181
(
2012
).
9.
K. D.
Vigiatzis
,
D.
Ma
,
J.
Olsen
,
L.
Gagliardi
, and
W. A.
de Jong
,
J. Chem. Phys.
147
,
184111
(
2017
).
10.
T.
Helgaker
,
P.
Jorgensen
, and
J.
Olsen
,
Molecular Electronic-Structure Theory
(
Wiley
,
Chichester, England
,
2012
).
11.
A. A.
Holmes
,
N. M.
Tubman
, and
C. J.
Umrigar
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3674
3680
(
2016
).
12.
S.
Sharma
,
A.
Holmes
,
G.
Jeanmairet
,
A.
Alavi
, and
C. J.
Umrigar
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1595
1604
(
2017
).
13.
N. M.
Tubman
,
J.
Lee
,
T. Y.
Takeshita
,
M.
Head-Gordon
, and
K. B.
Whaley
,
J. Chem. Phys.
145
,
044112
(
2016
).
14.
J. B.
Schriber
and
F. A.
Evangelista
,
J. Chem. Phys.
144
,
161106
(
2016
).
15.
T.
Zhang
and
F. A.
Evangelista
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
4326
4337
(
2016
).
16.
J. E. T.
Smith
,
B.
Mussard
,
A. A.
Holmes
, and
S.
Sharma
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
5468
5478
(
2017
).
17.
G. H.
Booth
,
A. J. W.
Thom
, and
A. J.
Alavi
,
J. Chem. Phys.
131
,
054106
(
2009
).
18.
D.
Cleland
,
G. H.
Booth
, and
A. J.
Alavi
,
J. Chem. Phys.
132
,
041103
(
2010
).
19.
G. H.
Booth
and
A. J.
Alavi
,
J. Chem. Phys.
132
,
174104
(
2010
).
20.
J. S.
Spencer
,
N. S.
Blunt
, and
W. M. C.
Foulkes
,
J. Chem. Phys.
136
,
054110
(
2012
).
21.
C.
Daday
,
S.
Smart
,
G. H.
Booth
,
A.
Alavi
, and
C.
Filippi
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
4441
4451
(
2012
).
22.
R. E.
Thomas
,
Q.
Sun
,
A.
Alavi
, and
G. H.
Booth
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
5316
5325
(
2015
).
23.
G. L.
Manni
,
S. D.
Smart
, and
A.
Alavi
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
1245
1258
(
2016
).
24.
J. E.
Deustua
,
I.
Magoulas
,
J.
Shen
, and
P.
Piecuch
,
J. Chem. Phys.
149
,
151101
(
2018
).
25.
J. E.
Deustua
,
J.
Shen
, and
P.
Piecuch
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
223003
(
2017
).
26.
S. R.
White
and
R. L.
Martin
,
J. Chem. Phys.
110
,
4127
4130
(
1999
).
27.
G. K.-L.
Chan
and
S.
Sharma
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
62
,
465
481
(
2011
).
28.
Q.
Sun
,
J.
Yang
, and
G. K.-L.
Chan
,
Chem. Phys. Lett.
683
,
291
299
(
2017
).
29.
C.
Li
,
J.
Li
,
N. S.
Dattani
,
C. J.
Umrigar
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Phys.
150
,
024302
(
2019
).
30.
D. M.
Cleland
,
G. H.
Booth
, and
A.
Alavi
,
J. Chem. Phys.
134
,
024112
(
2011
).
31.
J. J.
Shepherd
,
G. E.
Scuseria
, and
J. S.
Spencer
,
Phys. Rev. B
90
,
155130
(
2014
).
32.
D. A.
Mazziotti
,
Chem. Rev.
112
,
244
262
(
2012
).
33.
P.
Fulde
,
J. Chem. Phys.
150
,
030901
(
2019
).
34.
G.
Gidofalvi
and
D. A.
Mazziotti
,
J. Chem. Phys.
129
,
134108
(
2008
).
35.
G.
Gidofalvi
and
D. A.
Mazziotti
,
J. Chem. Phys.
127
,
244105
(
2007
).
36.
K.
Naftchi-Ardebili
,
N. W.
Hau
, and
D. A.
Mazziotti
,
Phys. Rev. A
84
,
052506
(
2011
).
37.
J.
Fosso-Tande
,
T.-S.
Nguyen
,
G.
Gidofalvi
, and
A. E.
DePrince
 III
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
2260
2271
(
2016
).
38.
J. W.
Mullinax
,
E.
Epifanovsky
,
G.
Gidofalvi
, and
A. E.
DePrince
 III
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
276
289
(
2019
).
39.
H. A.
Bethe
and
J.
Goldstone
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
238
,
551
(
1957
).
40.
H.
Stoll
and
H.
Preuss
,
Theor. Chim. Acta
46
,
11
21
(
1977
).
41.
H.
Stoll
,
Chem. Phys. Lett.
191
,
548
552
(
1992
).
42.
H.
Stoll
,
Phys. Rev. B
46
,
6700
6704
(
1992
).
43.
C.
Müller
and
B.
Paulus
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
7605
7614
(
2012
).
44.
E.
Fertitta
,
D.
Koch
,
B.
Paulus
,
G.
Barcza
, and
Ö.
Legeza
,
Mol. Phys.
116
,
1471
1482
(
2018
).
45.
J. J.
Eriksen
,
F.
Lipparini
, and
J.
Gauss
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
4633
(
2017
).
46.
J. J.
Eriksen
and
J.
Gauss
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5180
5191
(
2018
).
47.
J.
Friedrich
,
M.
Hanrath
, and
M.
Dolg
,
J. Chem. Phys.
126
,
154110
(
2007
).
48.
J.
Zhang
and
M.
Dolg
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
2992
3003
(
2013
).
49.
E.
Voloshina
and
B.
Paulus
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1698
1706
(
2014
).
50.
L.
Bytautas
and
K.
Ruedenberg
,
J. Phys. Chem. A
114
,
8601
8612
(
2010
).
51.
J. S.
Boschen
,
D.
Theis
,
K.
Ruedenberg
, and
T. L.
Windus
,
J. Phys. Chem. A
121
,
836
844
(
2017
).
52.
P. M.
Zimmerman
,
J. Chem. Phys.
146
,
104102
(
2017
).
53.
P. M.
Zimmerman
,
J. Chem. Phys.
146
,
224104
(
2017
).
54.
P. M.
Zimmerman
,
J. Phys. Chem. A
121
,
4712
4720
(
2017
).
55.
O.
Sinanoğlu
,
J. Chem. Phys.
36
,
706
717
(
1962
).
56.
O.
Sinanoğlu
,
J. Chem. Phys.
36
,
3198
3208
(
1962
).
57.
C.
Edmiston
,
J. Chem. Phys.
39
,
2394
2395
(
1962
).
58.
R. K.
Nesbet
,
Int. J. Quantum Chem.
31
,
435
443
(
1987
).
59.
J.
Gerratt
,
D. L.
Cooper
,
P. B.
Karadakov
, and
M.
Raimondi
,
Chem. Soc. Rev.
26
,
87
100
(
1997
).
60.
J.
Cullen
,
Chem. Phys.
202
,
217
229
(
1996
).
61.
T.
van Voorhis
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
115
,
7814
7821
(
2001
).
62.
G. J. O.
Beran
,
B.
Austin
,
A.
Sodt
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Phys. Chem. A
109
,
9183
9192
(
2005
).
63.
K. V.
Lawler
,
D. W.
Small
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Phys. Chem. A
114
,
2930
2938
(
2010
).
64.
W. A.
Goddard
and
L. B.
Harding
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
29
,
363
396
(
1978
).
65.
T.
Helgaker
and
P.
Jørgensen
,
Adv. Quantum Chem.
19
,
183
245
(
1988
).
66.
P. J.
Knowles
,
G. J.
Sexton
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys.
72
,
337
347
(
1982
).
67.
F.
Aquilante
,
T. B.
Pedersen
,
R.
Lindh
,
B. O.
Roos
,
A. S.
de Meras
, and
H.
Koch
,
J. Chem. Phys.
129
,
024113
(
2008
).
68.
M. G.
Delcey
,
L.
Freitag
,
T. B.
Pedersen
,
F.
Aquilante
,
R.
Lindh
, and
L.
Gonzalez
,
J. Chem. Phys.
140
,
174103
(
2014
).
69.
F.
Weigand
and
M.
Haeser
,
Theor. Chem. Acc.
97
,
331
340
(
1997
).
70.
R. A.
DiStasio
,
R. P.
Steele
,
Y. M.
Rhee
,
Y.
Shao
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Comput. Chem.
28
,
839
856
(
2007
).
71.
Y.
Shao
,
Z.
Gan
,
E.
Epifanovsky
,
A. T. B.
Gilbert
,
M.
Wormit
,
J.
Kussmann
,
A. W.
Lange
,
A.
Behn
,
J.
Deng
,
X.
Feng
,
D.
Ghosh
,
M.
Goldey
,
P. R.
Horn
,
L. D.
Jacobson
,
I.
Kaliman
,
R. Z.
Khaliullin
,
T.
Kus
,
A.
Landau
,
J.
Liu
,
E. I.
Proynov
,
Y. M.
Rhee
,
R. M.
Richard
,
M. A.
Rohrdanz
,
R. P.
Steele
,
E. J.
Sundstrom
,
H. L.
Woodcock
,
P. M.
Zimmerman
,
D.
Zuev
,
B.
Albrecht
,
E.
Alguire
,
B.
Austin
,
G. J. O.
Beran
,
Y. A.
Bernard
,
E.
Berquist
,
K.
Brandhorst
,
K. B.
Bravaya
,
S. T.
Brown
,
D.
Casanova
,
C.-M.
Chang
,
Y.
Chen
,
S. H.
Chien
,
K. D.
Closser
,
D. L.
Crittenden
,
M.
Diedenhofen
,
R. A.
DiStasio
,
H.
Do
,
A. D.
Dutoi
,
R. G.
Edgar
,
S.
Fatehi
,
L.
Fusti-Molnar
,
A.
Ghysels
,
A.
Golubeva-Zadorozhnaya
,
J.
Gomes
,
M. W. D.
Hanson-Heine
,
P. H. P.
Harbach
,
A. W.
Hauser
,
E. G.
Hohenstein
,
Z. C.
Holden
,
T.-C.
Jagau
,
H.
Ji
,
B.
Kaduk
,
K.
Khistyaev
,
J.
Kim
,
J.
Kim
,
R. A.
King
,
P.
Klunzinger
,
D.
Kosenkov
,
T.
Kowalczyk
,
C. M.
Krauter
,
K. U.
Lao
,
A. D.
Laurent
,
K. V.
Lawler
,
S. V.
Levchenko
,
C. Y.
Lin
,
F.
Liu
,
E.
Livshits
,
R. C.
Lochan
,
A.
Luenser
,
P.
Manohar
,
S. F.
Manzer
,
S.-P.
Mao
,
N.
Mardirossian
,
A. V.
Marenich
,
S. A.
Maurer
,
N. J.
Mayhall
,
E.
Neuscamman
,
C. M.
Oana
,
R.
Olivares-Amaya
,
D. P.
O’Neill
,
J. A.
Parkhill
,
T. M.
Perrine
,
R.
Peverati
,
A.
Prociuk
,
D. R.
Rehn
,
E.
Rosta
,
N. J.
Russ
,
S. M.
Sharada
,
S.
Sharma
,
D. W.
Small
,
A.
Sodt
,
T.
Stein
,
D.
Stück
,
Y.-C.
Su
,
A. J. W.
Thom
,
T.
Tsuchimochi
,
V.
Vanovschi
,
L.
Vogt
,
O.
Vydrov
,
T.
Wang
,
M. A.
Watson
,
J.
Wenzel
,
A.
White
,
C. F.
Williams
,
J.
Yang
,
S.
Yeganeh
,
S. R.
Yost
,
Z.-Q.
You
,
I. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhao
,
B. R.
Brooks
,
G. K. L.
Chan
,
D. M.
Chipman
,
C. J.
Cramer
,
W. A.
Goddard
,
M. S.
Gordon
,
W. J.
Hehre
,
A.
Klamt
,
H. F.
Schaefer
,
M. W.
Schmidt
,
C. D.
Sherrill
,
D. G.
Truhlar
,
A.
Warshel
,
X.
Xu
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Baer
,
A. T.
Bell
,
N. A.
Besley
,
J.-D.
Chai
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
C.-P.
Hsu
,
Y.
Jung
,
J.
Kong
,
D. S.
Lambrecht
,
W.
Liang
,
C.
Ochsenfeld
,
V. A.
Rassolov
,
L. V.
Slipchenko
,
J. E.
Subotnik
,
T. V.
Voorhis
,
J. M.
Herbert
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Mol. Phys.
113
,
184
215
(
2015
).
72.
P. C.
Hariharan
and
J. A.
Pople
,
Theor. Chem. Acc.
28
,
213
222
(
1973
).
73.
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
74.
M.
Feyereisen
,
G.
Fitzgerald
, and
A.
Komornicki
,
Chem. Phys. Lett.
208
,
359
363
(
1993
).
75.
F.
Weigend
,
M.
Haeser
,
H.
Patzelt
, and
R.
Ahlrichs
,
Chem. Phys. Lett.
294
,
143
152
(
1998
).
76.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
, and
M.
Schutz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
242
253
(
2012
).
77.
P.
Fulde
and
H.
Stoll
,
J. Chem. Phys.
146
,
194107
(
2017
).
78.
J. C.
Sancho-Garcia
,
Chem. Phys. Lett.
511
,
172
175
(
2011
).
79.
M.
van Faassen
,
P. L.
de Boeij
,
R.
van Leeuwen
,
J. A.
Berger
, and
J. G.
Snijders
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
186401
(
2002
).
80.
J.
Hachmann
,
W.
Cardoen
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Phys.
125
,
144101
(
2006
).
81.
C.
Angeli
,
Int. J. Quantum Chem.
110
,
2436
2447
(
2010
).
82.
M.
Schreiber
,
M. R.
Silva-Junior
,
S. P. A.
Sauer
, and
W.
Thiel
,
J. Chem. Phys.
128
,
134110
(
2008
).
83.
M.
Schmidt
and
P.
Tavan
,
J. Chem. Phys.
136
,
124309
(
2012
).
84.
P.
Pinski
,
C.
Riplinger
,
E. F.
Valeev
, and
F.
Neese
,
J. Chem. Phys.
143
,
034108
(
2015
).
85.
Y.
Mo
,
J. Chem. Phys.
119
,
1300
1306
(
2003
).
86.
G.
Fogarasi
,
R.
Liu
, and
P.
Pulay
,
J. Phys. Chem.
97
,
4036
4043
(
1993
).
87.
J.
Lappe
and
R. J.
Cave
,
J. Phys. Chem. A
104
,
2294
2300
(
2000
).
88.
R.
Olivares-Amaya
,
W.
Hu
,
N.
Nakatani
,
S.
Sharma
,
J.
Yang
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Phys.
142
,
034102
(
2015
).
89.
A.
Chattopadhyay
,
P.
Saini
,
R.
Hakim
,
A.
Komainda
, and
H.
Köppel
,
J. Chem. Phys.
509
,
000098
105
(
2018
).
90.
K.
Nakayama
,
H.
Nakano
, and
K.
Hirao
,
Int. J. Quantum Chem.
66
,
157
175
(
1998
).
91.
Y.
Kurashige
,
H.
Nakano
,
Y.
Nakao
, and
K.
Hirao
,
Chem. Phys. Lett.
400
,
425
429
(
2004
).
92.
D.
Ghosh
,
J.
Hachmann
,
T.
Yanai
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Phys.
128
,
144117
(
2008
).
93.
L.
Serrano-Andrés
,
R.
Lindh
,
B. O.
Roos
, and
M.
Merchán
,
J. Phys. Chem.
97
,
9360
9368
(
1993
).
94.
A. A.
Holmes
,
C. J.
Umrigar
, and
S.
Sharma
,
J. Chem. Phys.
147
,
164111
(
2017
).
95.
A. Y.
Sokolov
,
S.
Guo
,
E.
Ronca
, and
G. K.-L.
Chan
,
J. Chem. Phys.
146
,
244102
(
2017
).
96.
C. S.
Yannoni
and
T. C.
Clarke
,
Phys. Rev. Lett.
51
,
1191
1193
(
1983
).
97.
C. W.
Bock
,
P.
George
, and
M.
Trachtman
,
J. Mol. Struct.
109
,
1
16
(
1984
).
98.
B.
Champagne
,
E. A.
Perpète
,
S. J. A.
van Gisbergen
,
E. J.
Baerends
,
J. G.
Snijders
,
C.
Soubra-Ghaoui
,
K. A.
Robins
, and
B.
Kirtman
,
J. Chem. Phys.
109
,
10489
10498
(
1998
).
99.
M.
Schreiber
,
V.
Buß
, and
M. P.
Fülscher
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
3906
3912
(
2001
).
100.
E.
Hirota
,
Y.
Endo
,
S.
Saito
,
K.
Yoshida
,
I.
Yamaguchi
, and
K.
Machida
,
J. Mol. Spectrosc.
89
,
223
231
(
1981
).
101.
K.
Kuchltsu
,
T.
Fukuyama
, and
Y.
Morino
,
J. Mol. Struct.
1
,
463
(
1968
).
102.
M.
Traetteberg
,
Acta Chem. Scand.
22
,
628
(
1968
).
103.
R. H.
Baughman
,
B. E.
Kohler
,
I. J.
Levy
, and
C.
Spangler
,
Synth. Met.
11
,
37
52
(
1985
).
104.
P. D.
Kiser
,
M.
Golczak
, and
K.
Palczewski
,
Chem. Rev.
114
,
194
232
(
2014
).
105.
S.
Rinaldi
,
F.
Melaccio
,
S.
Gozem
,
F.
Fanelli
, and
M.
Olivucci
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
1714
1719
(
2014
).
106.
R.
Gonzalez-Luque
,
M.
Garavelli
,
F.
Bernardi
,
M.
Merchan
,
M. A.
Robb
, and
M.
Olivucci
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
97
,
9379
9384
(
2000
).
107.
J. P.
Dalle
and
B.
Rosenberg
,
Photochem. Photobiol.
12
,
151
167
(
1970
).
108.
S.
Hotchandani
,
P.
Paquin
, and
R. M.
Leblanc
,
J. Lumin.
20
,
59
65
(
1979
).
109.
B. E.
Kohler
and
V.
Terpougov
,
J. Chem. Phys.
108
,
9586
9593
(
1998
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.