Simulation of the ultrafast excited-state dynamics and elastic X-ray scattering of the [Fe(bmip)2]2+ [bmip = 2,6-bis(3-methyl-imidazole-1-ylidine)-4-pyridine] complex is presented and analyzed. We employ quantum wavepacket dynamics simulations on a 5-dimensional potential energy surface (PES) calculated by time-dependent density functional theory with 26 coupled diabatic states. The simulations are initiated by explicit inclusion of a time-dependent electromagnetic field. In the case of resonant excitation into singlet metal-to-ligand charge transfer (1MLCT) states, kinetic (exponential) population dynamics are observed with small nuclear motion. In agreement with transient optical absorption spectroscopy experiments, we observe a subpicosecond 1MLCT → 3MLCT intersystem crossing and a subsequent decay into triplet metal-centered (3MC) states on a picosecond time scale. The simulated time-resolved difference scattering signal is dominated by the 3MC component, for which the structural distortions are significant. On the other hand, excitation into 1MC states leads to ballistic (nonexponential) population dynamics with strong nuclear motion. The reason for these ballistic dynamics is that in this case, the excitation occurs into a nonequilibrium region, i.e., far from the minimum of the 1MC PES. This results in wavepacket dynamics along the principal breathing mode, which is clearly visible in both the population dynamics and difference scattering. Finally, the importance of decomposing the difference scattering into components by electronic states is highlighted, information which is not accessible from elastic X-ray scattering experiments.

1.
B.
Lasorne
,
G. A.
Worth
, and
M. A.
Robb
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
460
(
2011
).
2.
M.
Grätzel
,
J. Photochem. Photobiol. C
4
,
145
(
2003
).
3.
F.
Natterer
,
K.
Yang
,
W.
Paul
,
P.
Willke
,
T.
Choi
,
T.
Greber
,
A.
Heinrich
, and
C.
Lutz
,
Nature
543
,
226
(
2017
).
5.
C. E.
Crespo-Hernndez
,
B.
Cohen
,
P. M.
Hare
, and
B.
Kohler
,
Chem. Rev.
104
,
1977
(
2004
).
6.
M.
Chergui
,
Acc. Chem. Res.
48
,
801
(
2015
).
7.
T. J.
Penfold
,
E.
Gindensperger
,
C.
Daniel
, and
C. M.
Marian
,
Chem. Rev.
118
,
6975
(
2018
).
8.
T. I.
Sølling
and
K. B.
Møller
,
Struct. Dyn.
5
,
060901
(
2018
).
9.
C.
Pellegrini
,
Eur. Phys. J. H
37
,
659
(
2012
).
10.
E.
Biasin
,
T. B.
van Driel
,
K. S.
Kjær
,
A. O.
Dohn
,
M.
Christensen
,
T.
Harlang
,
P.
Chabera
,
Y.
Liu
,
J.
Uhlig
,
M.
Pápai
,
Z.
Németh
,
R.
Hartsock
,
W.
Liang
,
J.
Zhang
,
R.
Alonso-Mori
,
M.
Chollet
,
J. M.
Glownia
,
S.
Nelson
,
D.
Sokaras
,
T. A.
Assefa
,
A.
Britz
,
A.
Galler
,
W.
Gawelda
,
C.
Bressler
,
K. J.
Gaffney
,
H. T.
Lemke
,
K. B.
Møller
,
M. M.
Nielsen
,
V.
Sundström
,
G.
Vankó
,
K.
Wärnmark
,
S. E.
Canton
, and
K.
Haldrup
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
013002
(
2016
).
11.
S. E.
Canton
,
K. S.
Kjaer
,
G.
Vanko
,
T. B.
van Driel
,
S.-i.
Adachi
,
A.
Bordage
,
C.
Bressler
,
P.
Chabera
,
M.
Christensen
,
A. O.
Dohn
,
A.
Galler
,
W.
Gawelda
,
D.
Gosztola
,
K.
Haldrup
,
T.
Harlang
,
Y.
Liu
,
K. B.
Moller
,
Z.
Nemeth
,
S.
Nozawa
,
M.
Papai
,
T.
Sato
,
T.
Sato
,
K.
Suarez-Alcantara
,
T.
Togashi
,
K.
Tono
,
J.
Uhlig
,
D. A.
Vithanage
,
K.
Warnmark
,
M.
Yabashi
,
J.
Zhang
,
V.
Sundstrom
, and
M. M.
Nielsen
,
Nat. Commun.
6
,
6359
(
2015
).
12.
T. J.
Penfold
,
M.
Pápai
,
T.
Rozgonyi
,
K. B.
Møller
, and
G.
Vankó
,
Faraday Discuss.
194
,
731
(
2016
).
13.
S. P.
Neville
,
V.
Averbukh
,
M.
Ruberti
,
R.
Yun
,
S.
Patchkovskii
,
M.
Chergui
,
A.
Stolow
, and
M. S.
Schuurman
,
J. Chem. Phys.
145
,
144307
(
2016
).
14.
S. P.
Neville
,
M.
Chergui
,
A.
Stolow
, and
M. S.
Schuurman
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
243001
(
2018
).
15.
T.
Northey
,
J.
Duffield
, and
T. J.
Penfold
,
J. Chem. Phys.
149
,
124107
(
2018
).
16.
T.
Northey
,
J.
Norell
,
A. E. A.
Fouda
,
N. A.
Besley
,
M.
Odelius
, and
T. J.
Penfold
, “
Ultrafast nonadiabatic dynamics probed by nitrogen K-edge absorption spectroscopy
,”
Phys. Chem. Chem. Phys.
(published online).
17.
S.
Tsuru
,
M. L.
Vidal
,
M.
Pápai
,
A. I.
Krylov
,
K. B.
Møller
, and
S.
Coriani
, “
Time-resolved near-edge X-ray absorption fine structure of pyrazine fromelectronic structure and nuclear wave packet dynamics simulations
,”
J. Chem. Phys.
(to be published).
18.
A.
Debnarova
,
S.
Techert
, and
S.
Schmatz
,
J. Chem. Phys.
125
,
224101
(
2006
).
19.
M.
Ben-Nun
,
J.
Cao
, and
K. R.
Wilson
,
J. Phys. Chem. A
101
,
8743
(
1997
).
20.
U.
Lorenz
,
K. B.
Møller
, and
N. E.
Henriksen
,
Phys. Rev. A
81
,
023422
(
2010
).
21.
A.
Kirrander
,
K.
Saita
, and
D. V.
Shalashilin
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
957
(
2016
).
22.
A.
Moreno Carrascosa
,
H.
Yong
,
D. L.
Crittenden
,
P. M.
Weber
, and
A.
Kirrander
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
2836
(
2019
).
23.
M.
Simmermacher
,
N. E.
Henriksen
,
K. B.
Møller
,
A.
Moreno Carrascosa
, and
A.
Kirrander
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
073003
(
2019
).
24.
G.
Dixit
and
R.
Santra
,
Phys. Rev. A
96
,
053413
(
2017
).
25.
M.
Kowalewski
,
K.
Bennett
, and
S.
Mukamel
,
Struct. Dyn.
4
,
054101
(
2017
).
26.
K.
Bennett
,
M.
Kowalewski
,
J. R.
Rouxel
, and
S.
Mukamel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
6538
(
2018
).
27.
Y.
Liu
,
T.
Harlang
,
S. E.
Canton
,
P.
Chábera
,
K.
Suárez-Alcántara
,
A.
Fleckhaus
,
D. A.
Vithanage
,
E.
Göransson
,
A.
Corani
,
R.
Lomoth
,
V.
Sundström
, and
K.
Wärnmark
,
Chem. Commun.
49
,
6412
(
2013
).
28.
Y.
Liu
,
P.
Persson
,
V.
Sundström
, and
K.
Wärnmark
,
Acc. Chem. Res.
49
,
1477
(
2016
).
29.
Y.
Liu
,
K. S.
Kjær
,
L. A.
Fredin
,
P.
Chábera
,
T.
Harlang
,
S. E.
Canton
,
S.
Lidin
,
J.
Zhang
,
R.
Lomoth
,
K.-E.
Bergquist
,
P.
Persson
,
K.
Wärnmark
, and
V.
Sundström
,
Chem. Eur. J.
21
,
3628
(
2015
).
30.
T.
Harlang
,
Y.
Liu
,
O.
Gordivska
,
L.
Fredin
,
C.
Ponseca
,
P.
Huang
,
P.
Chábera
,
K.
Kjaer
,
H.
Mateos
,
J.
Uhlig
,
R.
Lomoth
,
R.
Wallenberg
,
S.
Styring
,
P.
Persson
,
V.
Sundström
, and
K.
Wärnmark
,
Nat. Chem.
7
,
883
(
2015
).
31.
T.
Duchanois
,
T.
Etienne
,
C.
Cebrián
,
L.
Liu
,
A.
Monari
,
M.
Beley
,
X.
Assfeld
,
S.
Haacke
, and
P. C.
Gros
,
Eur. J. Inorg. Chem.
2015
,
2469
.
32.
L.
Liu
,
T.
Duchanois
,
T.
Etienne
,
A.
Monari
,
M.
Beley
,
X.
Assfeld
,
S.
Haacke
, and
P. C.
Gros
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
12550
(
2016
).
33.
D.
Leshchev
,
T.
Harlang
,
L.
Fredin
,
D.
Khakhulin
,
Y.
Liu
,
E.
Biasin
,
M.
Laursen
,
G.
Newby
,
K.
Haldrup
,
M.
Nielsen
,
K.
Wärnmark
,
V.
Sundström
,
P.
Persson
,
K.
Kjær
, and
M.
Wulff
,
Chem. Sci.
9
,
405
(
2018
).
34.
M.
Pápai
,
G.
Vankó
,
T.
Rozgonyi
, and
T. J.
Penfold
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2009
(
2016
).
35.
M.
Pápai
,
M.
Simmermacher
,
T. J.
Penfold
,
K. B.
Møller
, and
T.
Rozgonyi
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
3967
(
2018
).
36.
H.-D.
Meyer
,
U.
Manthe
, and
L.
Cederbaum
,
Chem. Phys. Lett.
165
,
73
(
1990
).
37.
M.
Beck
,
A.
Jäckle
,
G.
Worth
, and
H.-D.
Meyer
,
Phys. Rep.
324
,
1
(
2000
).
38.
H.-D.
Meyer
,
F.
Gatti
, and
G.
Worth
,
Multidimensional Quantum Dynamics: MCTDH Theory and Applications
(
John Wiley & Sons
,
2009
), pp.
1
419
.
39.
L. S.
Cederbaum
,
H.
Köppel
, and
W.
Domcke
,
Int. J. Quantum Chem.
20
,
251
(
1981
).
40.
H.
Köppel
,
W.
Domcke
, and
L. S.
Cederbaum
, “
Multimode molecular dynamics beyond the Born-Oppenheimer approximation
,” in
Advances in Chemical Physics
(
John Wiley & Sons
,
1984
), Chap. 57, pp.
59
246
.
41.
T. J.
Penfold
and
G. A.
Worth
,
J. Chem. Phys.
131
,
064303
(
2009
).
42.
G.
Capano
,
M.
Chergui
,
U.
Rothlisberger
,
I.
Tavernelli
, and
T. J.
Penfold
,
J. Phys. Chem. A
118
,
9861
(
2014
).
43.
J.
Eng
,
C.
Gourlaouen
,
E.
Gindensperger
, and
C.
Daniel
,
Acc. Chem. Res.
48
,
809
(
2015
).
44.
M.
Pápai
,
T. J.
Penfold
, and
K. B.
Møller
,
J. Phys. Chem. C
120
,
17234
(
2016
).
45.
M.
Fumanal
,
E.
Gindensperger
, and
C.
Daniel
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
1293
(
2017
).
46.
M.
Fumanal
,
E.
Gindensperger
, and
C.
Daniel
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
5189
(
2018
).
47.
K. B.
Møller
and
N. E.
Henriksen
, “
Time-resolved x-ray diffraction: The dynamics of the chemical bond
,” in
Molecular Electronic Structures of Transition Metal Complexes I. Structure and Bonding
, Vol. 142, edited by
D.
Mingos
,
P.
Day
, and
J.
Dahl
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
2011
), pp.
185
211
.
48.
E.
Biasin
,
T. B.
van Driel
,
G.
Levi
,
M. G.
Laursen
,
A. O.
Dohn
,
A.
Moltke
,
P.
Vester
,
F. B. K.
Hansen
,
K. S.
Kjaer
,
T.
Harlang
,
R.
Hartsock
,
M.
Christensen
,
K. J.
Gaffney
,
N. E.
Henriksen
,
K. B.
Møller
,
K.
Haldrup
, and
M. M.
Nielsen
,
J. Synchrotron Rad.
25
,
306
(
2018
).
49.
A. O.
Dohn
,
E.
Biasin
,
K.
Haldrup
,
M. M.
Nielsen
,
N. E.
Henriksen
, and
K. B.
Møller
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
48
,
244010
(
2015
).
50.
S.
Hirata
and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
314
,
291
(
1999
).
51.
M.
Reiher
,
O.
Salomon
, and
B.
Artur Hess
,
Theor. Chem. Acc.
107
,
48
(
2001
).
52.
A.
Schäfer
,
C.
Huber
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
100
,
5829
(
1994
).
53.
F.
Neese
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
73
(
2012
).
54.
F.
Neese
,
J. Comput. Chem.
24
,
1740
(
2003
).
55.
F.
Neese
,
F.
Wennmohs
,
A.
Hansen
, and
U.
Becker
,
Chem. Phys.
356
,
98
(
2009
).
56.
M.
Pápai
,
M.
Abedi
,
G.
Levi
,
E.
Biasin
,
M. M.
Nielsen
, and
K. B.
Møller
,
J. Phys. Chem. C
123
,
2056
(
2019
).
57.
F.
Gatti
,
B.
Lasorne
,
H.-D.
Meyer
, and
A.
Nauts
,
Applications of Quantum Dynamics in Chemistry
, Lecture Notes in Chemistry Vol 98 (
Springer International Publishing
,
2017
).
58.
F.
Wang
and
T.
Ziegler
,
J. Chem. Phys.
123
,
154102
(
2005
).
59.
E.
van Lenthe
,
E. J.
Baerends
, and
J. G.
Snijders
,
J. Chem. Phys.
99
,
4597
(
1993
).
60.
G.
te Velde
,
F. M.
Bickelhaupt
,
E. J.
Baerends
,
C.
Fonseca Guerra
,
S. J. A.
van Gisbergen
,
J. G.
Snijders
, and
T.
Ziegler
,
J. Comput. Chem.
22
,
931
(
2001
).
61.
MATLAB and Statistics Toolbox Release 2019a, The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA.
63.
T.
Penfold
,
M.
Pápai
,
K.
Møller
, and
G.
Worth
,
Comput. Theor. Chem.
1160
,
24
(
2019
).
64.
R.
Monni
,
G.
Capano
,
G.
Auböck
,
H. B.
Gray
,
A.
Vlček
,
I.
Tavernelli
, and
M.
Chergui
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
E6396
(
2018
).
65.
K. S.
Kjær
,
T. B.
Van Driel
,
T. C. B.
Harlang
,
K.
Kunnus
,
E.
Biasin
,
K.
Ledbetter
,
R. W.
Hartsock
,
M. E.
Reinhard
,
S.
Koroidov
,
L.
Li
,
M. G.
Laursen
,
F. B.
Hansen
,
P.
Vester
,
M.
Christensen
,
K.
Haldrup
,
M. M.
Nielsen
,
A. O.
Dohn
,
M.
Pápai
,
K. B.
Møller
,
P.
Chabera
,
Y.
Liu
,
H.
Tatsuno
,
C.
Timm
,
M.
Jarenmark
,
J.
Uhlig
,
V.
Sundström
,
K.
Wärnmark
,
P.
Persson
,
Z.
Németh
,
D. S.
Szemes
,
É.
Bajnóczi
,
G.
Vankó
,
R.
Alonso-Mori
,
J. M.
Glownia
,
S.
Nelson
,
M.
Sikorski
,
D.
Sokaras
,
S. E.
Canton
,
H. T.
Lemke
, and
K. J.
Gaffney
,
Chem. Sci.
10
,
5749
(
2019
).
66.
K.
Haldrup
,
G.
Vankó
,
W.
Gawelda
,
A.
Galler
,
G.
Doumy
,
A. M.
March
,
E. P.
Kanter
,
A.
Bordage
,
A.
Dohn
,
T. B.
van Driel
,
K. S.
Kjr
,
H. T.
Lemke
,
S. E.
Canton
,
J.
Uhlig
,
V.
Sundström
,
L.
Young
,
S. H.
Southworth
,
M. M.
Nielsen
, and
C.
Bressler
,
J. Phys. Chem. A
116
,
9878
(
2012
).
67.
K.
Haldrup
,
W.
Gawelda
,
R.
Abela
,
R.
Alonso-Mori
,
U.
Bergmann
,
A.
Bordage
,
M.
Cammarata
,
S. E.
Canton
,
A. O.
Dohn
,
T. B.
van Driel
,
D. M.
Fritz
,
A.
Galler
,
P.
Glatzel
,
T.
Harlang
,
K. S.
Kjær
,
H. T.
Lemke
,
K. B.
Møller
,
Z.
Németh
,
M.
Pápai
,
N.
Sas
,
J.
Uhlig
,
D.
Zhu
,
G.
Vankó
,
V.
Sundström
,
M. M.
Nielsen
, and
C.
Bressler
,
J. Phys. Chem. B
120
,
1158
(
2016
).
68.
T.
Van Driel
,
K.
Kjær
,
R.
Hartsock
,
A.
Dohn
,
T.
Harlang
,
M.
Chollet
,
M.
Christensen
,
W.
Gawelda
,
N.
Henriksen
,
J.
Kim
,
K.
Haldrup
,
K.
Kim
,
H.
Ihee
,
J.
Kim
,
H.
Lemke
,
Z.
Sun
,
V.
Sundström
,
W.
Zhang
,
D.
Zhu
,
K.
Møller
,
M.
Nielsen
, and
K.
Gaffney
,
Nat. Commun.
7
,
13678
(
2016
).
69.
K.
Haldrup
,
G.
Levi
,
E.
Biasin
,
P.
Vester
,
M. G.
Laursen
,
F.
Beyer
,
K. S.
Kjær
,
T.
Brandt van Driel
,
T.
Harlang
,
A. O.
Dohn
,
R. J.
Hartsock
,
S.
Nelson
,
J. M.
Glownia
,
H. T.
Lemke
,
M.
Christensen
,
K. J.
Gaffney
,
N. E.
Henriksen
,
K. B.
Møller
, and
M. M.
Nielsen
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
063001
(
2019
).
70.
J.
Cerezo
,
Y.
Liu
,
N.
Lin
,
X.
Zhao
,
R.
Improta
, and
F.
Santoro
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
820
(
2018
).
71.
K. S.
Kjær
,
K.
Kunnus
,
T. C. B.
Harlang
,
T. B.
Van Driel
,
K.
Ledbetter
,
R. W.
Hartsock
,
M. E.
Reinhard
,
S.
Koroidov
,
L.
Li
,
M. G.
Laursen
,
E.
Biasin
,
F. B.
Hansen
,
P.
Vester
,
M.
Christensen
,
K.
Haldrup
,
M. M.
Nielsen
,
P.
Chabera
,
Y.
Liu
,
H.
Tatsuno
,
C.
Timm
,
J.
Uhlig
,
V.
Sundström
,
Z.
Németh
,
D. S.
Szemes
,
E.
Bajnóczi
,
G.
Vankó
,
R.
Alonso-Mori
,
J. M.
Glownia
,
S.
Nelson
,
M.
Sikorski
,
D.
Sokaras
,
H. T.
Lemke
,
S. E.
Canton
,
K.
Wärnmark
,
P.
Persson
,
A. A.
Cordones
, and
K. J.
Gaffney
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
4238
(
2018
).
You do not currently have access to this content.