We study the vibrational spectrum of the protonated water dimer, by means of a divide-and-conquer semiclassical initial value representation of the quantum propagator, as a first step in the study of larger protonated water clusters. We use the potential energy surface from the work of Huang et al. [J. Chem. Phys. 122, 044308 (2005)]. To tackle such an anharmonic and floppy molecule, we employ fully Cartesian dynamics and carefully reduce the coupling to global rotations in the definition of normal modes. We apply the time-averaging filter and obtain clean power spectra relative to suitable reference states that highlight the spectral peaks corresponding to the fundamental excitations of the system. Our trajectory-based approach allows for the physical interpretation of the very challenging proton transfer modes. We find that it is important, for such a floppy molecule, to selectively avoid initially exciting lower energy modes, in order to obtain cleaner spectra. The estimated vibrational energies display a mean absolute error (MAE) of ∼29 cm−1 with respect to available multiconfiguration time-dependent Hartree calculations and MAE ∼ 14 cm−1 when compared to the optically active experimental excitations of the Ne-tagged Zundel cation. The reasonable scaling in the number of trajectories for Monte Carlo convergence is promising for applications to higher dimensional protonated cluster systems.

1.
J. M.
Bowman
,
T.
Carrington
, and
H.-D.
Meyer
,
Mol. Phys.
106
,
2145
(
2008
).
2.
P. S.
Thomas
and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Phys. Chem. A
119
,
13074
(
2015
).
3.
G.
Bertaina
,
D. E.
Galli
, and
E.
Vitali
,
Adv. Phys.: X
2
,
302
(
2017
).
4.
W. H.
Miller
,
J. Phys. Chem. A
105
,
2942
(
2001
).
5.
W. H.
Miller
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
6660
(
2005
).
6.
N.
Yang
,
C. H.
Duong
,
P. J.
Kelleher
,
A. B.
McCoy
, and
M. A.
Johnson
,
Science
364
,
275
(
2019
).
7.
F.
Gabas
,
G.
Di Liberto
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
Chem. Sci.
9
,
7894
(
2018
).
8.
G.
Di Liberto
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
148
,
104302
(
2018
).
9.
G.
Zundel
and
H.
Metzger
,
Z. Phys. Chem.
58
,
225
(
1968
).
10.
D. J.
Wales
,
J. Chem. Phys.
110
,
10403
(
1999
).
11.
M.
Miyazaki
,
A.
Fujii
,
T.
Ebata
, and
N.
Mikami
,
Science
304
,
1134
(
2004
).
12.
J.-W.
Shin
,
N. I.
Hammer
,
E. G.
Diken
,
M. A.
Johnson
,
R. S.
Walters
,
T. D.
Jaeger
,
M. A.
Duncan
,
R. A.
Christie
, and
K. D.
Jordan
,
Science
304
,
1137
(
2004
).
13.
G.
Douberly
,
R.
Walters
,
J.
Cui
,
K. D.
Jordan
, and
M.
Duncan
,
J. Phys. Chem. A
114
,
4570
(
2010
).
14.
M.
Thämer
,
L.
De Marco
,
K.
Ramasesha
,
A.
Mandal
, and
A.
Tokmakoff
,
Science
350
,
78
(
2015
).
15.
C. T.
Wolke
,
J. A.
Fournier
,
L. C.
Dzugan
,
M. R.
Fagiani
,
T. T.
Odbadrakh
,
H.
Knorke
,
K. D.
Jordan
,
A. B.
McCoy
,
K. R.
Asmis
, and
M. A.
Johnson
,
Science
354
,
1131
(
2016
).
16.
M. R.
Fagiani
,
H.
Knorke
,
T. K.
Esser
,
N.
Heine
,
C. T.
Wolke
,
S.
Gewinner
,
W.
Schöllkopf
,
M.-P.
Gaigeot
,
R.
Spezia
,
M. A.
Johnson
, and
K. R.
Asmis
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
26743
(
2016
).
17.
N. J.
Singh
,
M.
Park
,
S. K.
Min
,
S. B.
Suh
, and
K. S.
Kim
,
Angew. Chem., Int. Ed.
45
,
3795
(
2006
).
18.
F.
Agostini
,
R.
Vuilleumier
, and
G.
Ciccotti
,
J. Chem. Phys.
134
,
084302
(
2011
).
19.
Q.
Yu
and
J. M.
Bowman
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
10984
(
2017
).
20.
Q.
Yu
and
J. M.
Bowman
,
J. Phys. Chem. A
123
,
1399
(
2019
).
21.
C. K.
Egan
and
F.
Paesani
, “
Assessing many-body effects of water self-ions. II: H3O+(H2O)n clusters
,” (published online).
22.
C. J. T.
de Grotthuss
,
Ann. Chim.
58
,
54
(
1806
).
23.
24.
M.
Tuckerman
,
K.
Laasonen
,
M.
Sprik
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
103
,
150
(
1995
).
25.
O. F.
Mohammed
,
D.
Pines
,
J.
Dreyer
,
E.
Pines
, and
E. T. J.
Nibbering
,
Science
310
,
83
(
2005
).
26.
D.
Marx
,
Chem. Phys. Chem.
7
,
1848
(
2006
).
27.
T. C.
Berkelbach
,
H.-S.
Lee
, and
M. E.
Tuckerman
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
238302
(
2009
).
28.
K. R.
Asmis
,
N. L.
Pivonka
,
G.
Santambrogio
,
M.
Brümmer
,
C.
Kaposta
,
D. M.
Neumark
, and
L.
Wöste
,
Science
299
,
1375
(
2003
).
29.
T. D.
Fridgen
,
T. B.
McMahon
,
L.
MacAleese
,
J.
Lemaire
, and
P.
Maitre
,
J. Phys. Chem. A
108
,
9008
(
2004
).
30.
L. I.
Yeh
,
M.
Okumura
,
J. D.
Myers
,
J. M.
Price
, and
Y. T.
Lee
,
J. Chem. Phys.
91
,
7319
(
1989
).
31.
J. M.
Headrick
,
J. C.
Bopp
, and
M. A.
Johnson
,
J. Chem. Phys.
121
,
11523
(
2004
).
32.
N. I.
Hammer
,
E. G.
Diken
,
J. R.
Roscioli
,
M. A.
Johnson
,
E. M.
Myshakin
,
K. D.
Jordan
,
A. B.
McCoy
,
X.
Huang
,
J. M.
Bowman
, and
S.
Carter
,
J. Chem. Phys.
122
,
244301
(
2005
).
33.
X.
Huang
,
B. J.
Braams
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
122
,
044308
(
2005
).
34.
J.
Dai
,
Z.
Bačić
,
X.
Huang
,
S.
Carter
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
119
,
6571
(
2003
).
35.
A. B.
McCoy
,
X.
Huang
,
S.
Carter
,
M. Y.
Landeweer
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
122
,
061101
(
2005
).
36.
M.
Kaledin
,
A. L.
Kaledin
, and
J. M.
Bowman
,
J. Phys. Chem. A
110
,
2933
(
2006
).
37.
M.
Kaledin
,
A. L.
Kaledin
,
J. M.
Bowman
,
J.
Ding
, and
K. D.
Jordan
,
J. Phys. Chem. A
113
,
7671
(
2009
).
38.
X.
Huang
,
S.
Habershon
, and
J. M.
Bowman
,
Chem. Phys. Lett.
450
,
253
(
2008
).
39.
M.
Rossi
,
M.
Ceriotti
, and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
140
,
234116
(
2014
).
40.
M.
Rossi
,
V.
Kapil
, and
M.
Ceriotti
,
J. Chem. Phys.
148
,
102301
(
2017
).
41.
G.
Di Liberto
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
148
,
014307
(
2018
).
42.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
,
D.
Lauvergnat
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
127
,
184302
(
2007
).
43.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
, and
H.-D.
Meyer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
46
,
6918
(
2007
).
44.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
127
,
184303
(
2007
).
45.
O.
Vendrell
and
H.-D.
Meyer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
4692
(
2008
).
46.
O.
Vendrell
,
M.
Brill
,
F.
Gatti
,
D.
Lauvergnat
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
130
,
234305
(
2009
).
47.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
, and
H.-D.
Meyer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
352
(
2009
).
48.
O.
Vendrell
,
F.
Gatti
, and
H.-D.
Meyer
,
J. Chem. Phys.
131
,
034308
(
2009
).
49.
M.
Baer
,
D.
Marx
, and
G.
Mathias
,
Angew. Chem., Int. Ed.
49
,
7346
(
2010
).
50.
G.
Pitsevich
,
A.
Malevich
,
E.
Kozlovskaya
,
E.
Mahnach
,
I.
Doroshenko
,
V.
Pogorelov
,
L. G. M.
Pettersson
,
V.
Sablinskas
, and
V.
Balevicius
,
J. Phys. Chem. A
121
,
2151
(
2017
).
51.
T.
Spura
,
H.
Elgabarty
, and
T. D.
Kühne
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
14355
(
2015
).
52.
T.
Spura
,
H.
Elgabarty
, and
T. D.
Kühne
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
19673
(
2015
).
53.
C.
Schran
,
F.
Uhl
,
J.
Behler
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Phys.
148
,
102310
(
2017
).
54.
C.
Schran
,
F.
Brieuc
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5068
(
2018
).
55.
M.
Dagrada
,
M.
Casula
,
A. M.
Saitta
,
S.
Sorella
, and
F.
Mauri
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
1980
(
2014
).
56.
F.
Mouhat
,
S.
Sorella
,
R.
Vuilleumier
,
A. M.
Saitta
, and
M.
Casula
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
2400
(
2017
).
57.
R. I.
McLachlan
and
P.
Atela
,
Nonlinearity
5
,
541
(
1992
).
58.
M. L.
Brewer
,
J. S.
Hulme
, and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Chem. Phys.
106
,
4832
(
1997
).
59.
R. P.
Feynman
and
A. R.
Hibbs
,
Quantum Mechanics and Path Integrals
(
McGraw-Hill
,
1965
).
60.
J. H.
Van Vleck
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
14
,
178
(
1928
).
61.
W. H.
Miller
,
J. Chem. Phys.
53
,
1949
(
1970
).
62.
E. J.
Heller
,
J. Chem. Phys.
75
,
2923
(
1981
).
63.
E. J.
Heller
,
Acc. Chem. Res.
14
,
368
(
1981
).
64.
E. J.
Heller
,
J. Chem. Phys.
94
,
2723
(
1991
).
65.
M. F.
Herman
and
E.
Kluk
,
Chem. Phys.
91
,
27
(
1984
).
66.
K. G.
Kay
,
J. Chem. Phys.
100
,
4432
(
1994
).
67.
K. G.
Kay
,
J. Chem. Phys.
100
,
4377
(
1994
).
68.
K. G.
Kay
,
J. Chem. Phys.
101
,
2250
(
1994
).
70.
M.
Church
,
S. V.
Antipov
, and
N.
Ananth
,
J. Chem. Phys.
146
,
234104
(
2017
).
71.
S. V.
Antipov
,
Z.
Ye
, and
N.
Ananth
,
J. Chem. Phys.
142
,
184102
(
2015
).
72.
M.
Bonfanti
,
J.
Petersen
,
P.
Eisenbrandt
,
I.
Burghardt
, and
E.
Pollak
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
5310
(
2018
).
73.
A. L.
Kaledin
and
W. H.
Miller
,
J. Chem. Phys.
118
,
7174
(
2003
).
74.
A. L.
Kaledin
and
W. H.
Miller
,
J. Chem. Phys.
119
,
3078
(
2003
).
75.
D.
Tamascelli
,
F. S.
Dambrosio
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
140
,
174109
(
2014
).
76.
G.
Di Liberto
and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
145
,
144107
(
2016
).
77.
Y.
Zhuang
,
M. R.
Siebert
,
W. L.
Hase
,
K. G.
Kay
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
54
(
2012
).
78.
M.
Ceotto
,
Y.
Zhuang
, and
W. L.
Hase
,
J. Chem. Phys.
138
,
054116
(
2013
).
79.
M.
Buchholz
,
E.
Fallacara
,
F.
Gottwald
,
M.
Ceotto
,
F.
Grossmann
, and
S. D.
Ivanov
,
Chem. Phys.
515
,
231
(
2018
), Ultrafast Photoinduced Processes in Polyatomic Molecules: Electronic Structure, Dynamics and Spectroscopy (Dedicated to Wolfgang Domcke on the occasion of his 70th birthday).
80.
R.
Conte
,
F.
Gabas
,
G.
Botti
,
Y.
Zhuang
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
150
,
244118
(
2019
).
81.
M.
Ceotto
,
S.
Atahan
,
S.
Shim
,
G. F.
Tantardini
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
3861
(
2009
).
82.
M.
Ceotto
,
S.
Atahan
,
G. F.
Tantardini
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Chem. Phys.
130
,
234113
(
2009
).
83.
M.
Ceotto
,
G. F.
Tantardini
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Chem. Phys.
135
,
214108
(
2011
).
84.
M.
Ceotto
,
S.
Valleau
,
G. F.
Tantardini
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Chem. Phys.
134
,
234103
(
2011
).
85.
M.
Ceotto
,
D.
Dell’Angelo
, and
G. F.
Tantardini
,
J. Chem. Phys.
133
,
054701
(
2010
).
86.
R.
Conte
,
A.
Aspuru-Guzik
, and
M.
Ceotto
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
3407
(
2013
).
87.
F.
Gabas
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
2378
(
2017
).
88.
M.
Buchholz
,
F.
Grossmann
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
144
,
094102
(
2016
).
89.
M.
Buchholz
,
F.
Grossmann
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
147
,
164110
(
2017
).
90.
M.
Buchholz
,
F.
Grossmann
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
148
,
114107
(
2018
).
91.
M.
Wehrle
,
M.
Šulc
, and
J.
Vaníček
,
J. Chem. Phys.
140
,
244114
(
2014
).
92.
M.
Wehrle
,
S.
Oberli
, and
J.
Vaníček
,
J. Phys. Chem. A
119
,
5685
(
2015
).
93.
T.
Begušić
,
M.
Cordova
, and
J.
Vaníček
,
J. Chem. Phys.
150
,
154117
(
2019
).
95.
E.
Wilson
,
J.
Decius
, and
P.
Cross
,
Molecular Vibrations: The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra
, Dover Books on Chemistry Series (
Dover Publications
,
1980
).
96.
W. H.
Miller
,
N. C.
Handy
, and
J. E.
Adams
,
J. Chem. Phys.
72
,
99
(
1980
).
97.
J.
Jellinek
and
D. H.
Li
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
241
(
1989
).
98.
99.
G.
Avila
and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
135
,
064101
(
2011
).
100.
P.
Kumar P.
and
D.
Marx
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
573
(
2006
).
101.
B. B.
Harland
and
P.-N.
Roy
,
J. Chem. Phys.
118
,
4791
(
2003
).
102.
B. B.
Issack
and
P.-N.
Roy
,
J. Chem. Phys.
123
,
084103
(
2005
).
103.
B. B.
Issack
and
P.-N.
Roy
,
J. Chem. Phys.
126
,
024111
(
2007
).
104.
B. B.
Issack
and
P.-N.
Roy
,
J. Chem. Phys.
127
,
144306
(
2007
).
105.
S. Y. Y.
Wong
,
D. M.
Benoit
,
M.
Lewerenz
,
A.
Brown
, and
P.-N.
Roy
,
J. Chem. Phys.
134
,
094110
(
2011
).
106.
M.
Ceotto
,
G.
Di Liberto
, and
R.
Conte
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
010401
(
2017
).
107.
F.
Gabas
,
G.
Di Liberto
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
150
,
224107
(
2019
).
108.
M.
Micciarelli
,
R.
Conte
,
J.
Suarez
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
149
,
064115
(
2018
).
109.
X.
Ma
,
G.
Di Liberto
,
R.
Conte
,
W. L.
Hase
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
149
,
164113
(
2018
).
110.
N.
De Leon
and
E. J.
Heller
,
J. Chem. Phys.
78
,
4005
(
1983
).
111.
H. C.
Longuet-Higgins
,
Mol. Phys.
6
,
445
(
1963
).
112.
M.
Micciarelli
,
F.
Gabas
,
R.
Conte
, and
M.
Ceotto
,
J. Chem. Phys.
150
,
184113
(
2019
).
113.
G. H.
Peslherbe
and
W. L.
Hase
,
J. Chem. Phys.
100
,
1179
(
1994
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.