We present an extension of the combined density functional theory (DFT) and multireference configuration interaction (MRCI) method (DFT/MRCI) [S. Grimme and M. Waletzke, J. Chem. Phys. 111, 5645 (1999)] for the calculation of core-excited states based on the core-valence separation (CVS) approximation. The resulting method, CVS-DFT/MRCI, is validated via the simulation of the K-edge X-ray absorption spectra of 40 organic chromophores, amino acids, and nucleobases, ranging in size from CO2 to tryptophan. Overall, the CVS-DFT/MRCI method is found to yield accurate X-ray absorption spectra (XAS), with consistent errors in peak positions of ∼2.5–3.5 eV. Additionally, we show that the CVS-DFT/MRCI method may be employed to simulate XAS from valence excited states and compare the simulated spectra to those computed using the established wave function-based approaches [ADC(2) and ADC(2)x]. In general, each of the methods yields excited state XAS spectra in qualitative and often quantitative agreement. In the instances where the methods differ, the CVS-DFT/MRCI simulations predict intensity for transitions for which the underlying electronic states are characterized by doubly excited configurations relative to the ground state configuration. Here, we aim to demonstrate that the CVS-DFT/MRCI approach occupies a specific niche among numerous other electronic structure methods in this area, offering the ability to treat initial states of arbitrary electronic character while maintaining a low computational cost and comparatively black box usage.

1.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F.-J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
P.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H.-D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nat. Photonics
4
,
641
(
2010
).
2.
M.
Altarelli
in
Proceedings of the 10th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART10)
[
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
269
,
2845
(
2011
)].
3.
B. W. J.
McNeil
and
N. R.
Thompson
,
Nat. Photonics
4
,
814
(
2010
), review article.
4.
Z.
Huang
and
K.-J.
Kim
,
Phys. Rev. Spec. Top.—Accel. Beams
10
,
034801
(
2007
).
5.
T.
Ishikawa
,
H.
Aoyagi
,
T.
Asaka
,
Y.
Asano
,
N.
Azumi
,
T.
Bizen
,
H.
Ego
,
K.
Fukami
,
T.
Fukui
,
Y.
Furukawa
,
S.
Goto
,
H.
Hanaki
,
T.
Hara
,
T.
Hasegawa
,
T.
Hatsui
,
A.
Higashiya
,
T.
Hirono
,
N.
Hosoda
,
M.
Ishii
,
T.
Inagaki
,
Y.
Inubushi
,
T.
Itoga
,
Y.
Joti
,
M.
Kago
,
T.
Kameshima
,
H.
Kimura
,
Y.
Kirihara
,
A.
Kiyomichi
,
T.
Kobayashi
,
C.
Kondo
,
T.
Kudo
,
H.
Maesaka
,
X. M.
Maréchal
,
T.
Masuda
,
S.
Matsubara
,
T.
Matsumoto
,
T.
Matsushita
,
S.
Matsui
,
M.
Nagasono
,
N.
Nariyama
,
H.
Ohashi
,
T.
Ohata
,
T.
Ohshima
,
S.
Ono
,
Y.
Otake
,
C.
Saji
,
T.
Sakurai
,
T.
Sato
,
K.
Sawada
,
T.
Seike
,
K.
Shirasawa
,
T.
Sugimoto
,
S.
Suzuki
,
S.
Takahashi
,
H.
Takebe
,
K.
Takeshita
,
K.
Tamasaku
,
H.
Tanaka
,
R.
Tanaka
,
T.
Tanaka
,
T.
Togashi
,
K.
Togawa
,
A.
Tokuhisa
,
H.
Tomizawa
,
K.
Tono
,
S.
Wu
,
M.
Yabashi
,
M.
Yamaga
,
A.
Yamashita
,
K.
Yanagida
,
C.
Zhang
,
T.
Shintake
,
H.
Kitamura
, and
N.
Kumagai
,
Nat. Photonics
6
,
540
(
2012
).
6.
W. J.
Glover
,
T.
Mori
,
M. S.
Schuurman
,
A. E.
Boguslavskiy
,
O.
Schalk
,
A.
Stolow
, and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Phys.
148
,
164303
(
2018
).
7.
A. E.
Boguslavskiy
,
O.
Schalk
,
N.
Gador
,
W. J.
Glover
,
T.
Mori
,
T.
Schultz
,
M. S.
Schuurman
,
T. J.
Martínez
, and
A.
Stolow
,
J. Chem. Phys.
148
,
164302
(
2018
).
8.
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
).
9.
H.
Ibrahim
,
B.
Wales
,
S.
Beaulieu
,
B. E.
Schmidt
,
N.
Thiré
,
E. P.
Fowe
,
É.
Bisson
,
C. T.
Hebeisen
,
V.
Wanie
,
M.
Giguére
,
J.-C.
Kieffer
,
M.
Spanner
,
A. D.
Bandrauk
,
J.
Sanderson
,
M. S.
Schuurman
, and
F.
Légaré
,
Nat. Commun.
5
,
4422
(
2014
).
10.
T.
Fransson
and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
546
(
2019
).
11.
P.
Norman
and
A.
Dreuw
,
Chem. Rev.
118
,
7208
(
2018
).
12.
K.
Andersson
and
B. O.
Roos
,
Chem. Phys. Lett.
191
,
507
(
1992
).
13.
J.
Gräfenstein
and
D.
Cremer
,
Chem. Phys. Lett.
316
,
569
(
2000
).
14.
A. J.
Signorelli
and
R. G.
Hayes
,
Phys. Rev. B
8
,
81
(
1973
).
15.
C.
Hannay
,
D.
Duflot
,
J.-P.
Flament
, and
M.-J.
Hubin-Franskin
,
J. Chem. Phys.
110
,
5600
(
1999
).
16.
P.
Lin
and
R. R.
Lucchese
,
J. Synchrotron Radiat.
8
,
150
(
2001
).
17.
S.
Carniato
,
P.
Selles
,
L.
Andric
,
J.
Palaudoux
,
F.
Penent
,
M.
Žitnik
,
K.
Bučar
,
M.
Nakano
,
Y.
Hikosaka
,
K.
Ito
, and
P.
Lablanquie
,
J. Chem. Phys.
142
,
014307
(
2015
).
18.
S.
Coriani
,
O.
Christiansen
,
T.
Fransson
, and
P.
Norman
,
Phys. Rev. A
85
,
022507
(
2012
).
19.
J.
Brabec
,
K.
Bhaskaran-Nair
,
N.
Govind
,
J.
Pittner
, and
K.
Kowalski
,
J. Chem. Phys.
137
,
171101
(
2012
).
20.
M.
Nooijen
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
102
,
6735
(
1995
).
21.
A. K.
Dutta
,
J.
Gupta
,
N.
Vaval
, and
S.
Pal
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
3656
(
2014
).
22.
S. K.
Mukhopadhyay
,
R.
Chaudhuri
,
D.
Mukhopadhyay
, and
D.
Mukherjee
,
Chem. Phys. Lett.
173
,
181
(
1990
).
23.
M. L.
Vidal
,
X.
Feng
,
E.
Epifanovsky
,
A. I.
Krylov
, and
S.
Coriani
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
3117
(
2019
).
24.
B. N. C.
Tenorio
,
T.
Moitra
,
M. A. C.
Nascimento
,
A. B.
Rocha
, and
S.
Coriani
,
J. Chem. Phys.
150
,
224104
(
2019
).
25.
M.
Tchaplyguine
,
R.
Feifel
,
R. R. T.
Marinho
,
M.
Gisselbrecht
,
S. L.
Sorensen
,
A. N.
de Brito
,
N.
Mårtensson
,
S.
Svensson
, and
O.
Björneholm
,
Chem. Phys.
289
,
3
(
2003
), decay processes in core-excited species.
26.
R. V.
Pinjari
,
M. G.
Delcey
,
M.
Guo
,
M.
Odelius
, and
M.
Lundberg
,
J. Chem. Phys.
141
,
124116
(
2014
).
27.
I.
Josefsson
,
K.
Kunnus
,
S.
Schreck
,
A.
Föhlisch
,
F.
de Groot
,
P.
Wernet
, and
M.
Odelius
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3565
(
2012
).
28.
V.
Feyer
,
O.
Plekan
,
R.
Richter
,
M.
Coreno
,
K. C.
Prince
, and
V.
Carravetta
,
J. Phys. Chem. A
112
,
7806
(
2008
).
29.
S. P.
Neville
,
V.
Averbukh
,
S.
Patchkovskii
,
M.
Ruberti
,
R.
Yun
,
M.
Chergui
,
A.
Stolow
, and
M. S.
Schuurman
,
Faraday Discuss.
194
,
117
(
2016
).
30.
S. P.
Neville
,
M.
Chergui
,
A.
Stolow
, and
M. S.
Schuurman
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
243001
(
2018
).
31.
J.
Wenzel
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Comput. Chem.
35
,
1900
(
2014
).
32.
A. B.
Trofimov
,
T. É.
Moskovskaya
,
E. V.
Gromov
,
N. M.
Vitkovskaya
, and
J.
Schirmer
,
J. Struct. Chem.
41
,
483
(
2000
).
33.
J.
Wenzel
,
A.
Holzer
,
M.
Wormit
, and
A.
Dreuw
,
J. Chem. Phys.
142
,
214104
(
2015
).
34.
L.
Triguero
,
L. G. M.
Pettersson
, and
H.
Ågren
,
Phys. Rev. B
58
,
8097
(
1998
).
35.
B.
Hetényi
,
F.
De Angelis
,
P.
Giannozzi
, and
R.
Car
,
J. Chem. Phys.
120
,
8632
(
2004
).
36.
J. D.
Smith
,
C. D.
Cappa
,
B. M.
Messer
,
W. S.
Drisdell
,
R. C.
Cohen
, and
R. J.
Saykally
,
J. Phys. Chem. B
110
,
20038
(
2006
).
37.
N. A.
Besley
and
F. A.
Asmuruf
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
12024
(
2010
).
38.
J.
Vinson
,
J. J.
Rehr
,
J. J.
Kas
, and
E. L.
Shirley
,
Phys. Rev. B
83
,
115106
(
2011
).
39.
D. P.
Chong
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
148
,
115
(
2005
).
40.
M.
Roemelt
,
D.
Maganas
,
S.
DeBeer
, and
F.
Neese
,
J. Chem. Phys.
138
,
204101
(
2013
).
41.
D.
Maganas
,
M.
Roemelt
,
M.
Hävecker
,
A.
Trunschke
,
A.
Knop-Gericke
,
R.
Schlögl
, and
F.
Neese
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
7260
(
2013
).
42.
S.
Grimme
,
Chem. Phys. Lett.
259
,
128
(
1996
).
43.
S.
Grimme
and
M.
Waletzke
,
J. Chem. Phys.
111
,
5645
(
1999
).
44.
I.
Lyskov
,
M.
Kleinschmidt
, and
C. M.
Marian
,
J. Chem. Phys.
144
,
034104
(
2016
).
45.
A.
Heil
and
C. M.
Marian
,
J. Chem. Phys.
147
,
194104
(
2017
).
46.
C. M.
Marian
,
A.
Heil
, and
M.
Kleinschmidt
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
9
,
e1394
(
2019
).
47.
TURBOMOLE V6.1 2009, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989-2007, TURBOMOLE GmbH, since 2007; available from http://www.turbomole.com.
48.
K.
Aidas
,
C.
Angeli
,
K. L.
Bak
,
V.
Bakken
,
R.
Bast
,
L.
Boman
,
O.
Christiansen
,
R.
Cimiraglia
,
S.
Coriani
,
P.
Dahle
,
E. K.
Dalskov
,
U.
Ekström
,
T.
Enevoldsen
,
J. J.
Eriksen
,
P.
Ettenhuber
,
B.
Fernández
,
L.
Ferrighi
,
H.
Fliegl
,
L.
Frediani
,
K.
Hald
,
A.
Halkier
,
C.
Hättig
,
H.
Heiberg
,
T.
Helgaker
,
A. C.
Hennum
,
H.
Hettema
,
E.
Hjertenæs
,
S.
Høst
,
I.-M.
Høyvik
,
M. F.
Iozzi
,
B.
Jansík
,
H. J. Aa.
Jensen
,
D.
Jonsson
,
P.
Jørgensen
,
J.
Kauczor
,
S.
Kirpekar
,
T.
Kjærgaard
,
W.
Klopper
,
S.
Knecht
,
R.
Kobayashi
,
H.
Koch
,
J.
Kongsted
,
A.
Krapp
,
K.
Kristensen
,
A.
Ligabue
,
O.
Lutnæs
,
J. I.
Melo
,
K. V.
Mikkelsen
,
R. H.
Myhre
,
C.
Neiss
,
C. B.
Nielsen
,
P.
Norman
,
J.
Olsen
,
J. M. H.
Olsen
,
A.
Osted
,
M. J.
Packer
,
F.
Pawlowski
,
T. B.
Pedersen
,
P. F.
Provasi
,
S.
Reine
,
Z.
Rinkevicius
,
T. A.
Ruden
,
K.
Ruud
,
V. V.
Rybkin
,
P.
Sałek
,
C. C. M.
Samson
,
A. S.
de Merás
,
T.
Saue
,
S. P. A.
Sauer
,
B.
Schimmelpfennig
,
K.
Sneskov
,
A. H.
Steindal
,
K. O.
Sylvester-Hvid
,
P. R.
Taylor
,
A. M.
Teale
,
E. I.
Tellgren
,
D. P.
Tew
,
A. J.
Thorvaldsen
,
L.
Thøgersen
,
O.
Vahtras
,
M. A.
Watson
,
D. J. D.
Wilson
,
M.
Ziolkowski
, and
H.
Ågren
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
4
,
269
(
2014
).
49.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
1372
(
1993
).
50.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
52.
Y.
Zhao
and
D. G.
Truhlar
,
Theor. Chem. Acc.
120
,
215
(
2008
).
53.
M.
Walker
,
A. J. A.
Harvey
,
A.
Sen
, and
C. E. H.
Dessent
,
J. Phys. Chem. A
117
,
12590
(
2013
).
54.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
55.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
56.
M. W.
Schmidt
,
K. K.
Baldridge
,
J. A.
Boatz
,
S. T.
Elbert
,
M. S.
Gordon
,
J. H.
Jensen
,
S.
Koseki
,
N.
Matsunaga
,
K. A.
Nguyen
,
S.
Su
,
T. L.
Windus
,
M.
Dupuis
, and
J. A.
Montgomery
,
J. Comput. Chem.
14
,
1347
(
1993
).
57.
M. S.
Gordon
and
M. W.
Schmidt
, “
Advances in electronic structure theory: GAMESS a decade later
,” in
Theory and Applications of Computational Chemistry: The First Forty Years
, edited by
C. E.
Dykstra
,
G.
Frenking
,
K. S.
Kim
, and
G. E.
Scuseria
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2005
), pp.
1167
1189
.
58.
S. G.
Urquhart
and
H.
Ade
,
J. Phys. Chem. B
106
,
8531
(
2002
).
59.
W.
Zhang
,
V.
Carravetta
,
O.
Plekan
,
V.
Feyer
,
R.
Richter
,
M.
Coreno
, and
K. C.
Prince
,
J. Chem. Phys.
131
,
035103
(
2009
).
60.
D.
Solomon
,
J.
Lehmann
,
J.
Kinyangi
,
B.
Liang
,
K.
Heymann
,
L.
Dathe
,
K.
Hanley
,
S.
Wirick
, and
C.
Jacobsen
,
Soil Sci. Soc. Am. J.
73
,
1817
(
2009
).
61.
J.
Schirmer
,
Phys. Rev. A
26
,
2395
(
1982
).
62.
J.
Schirmer
,
L. S.
Cederbaum
, and
O.
Walter
,
Phys. Rev. A
28
,
1237
(
1983
).
64.
J.
Schirmer
and
A. B.
Trofimov
,
J. Chem. Phys.
120
,
11449
(
2004
).
65.
A. B.
Trofimov
and
J.
Schirmer
,
J. Phys. B
28
,
2299
(
1995
).
66.
T.
Mori
,
W. J.
Glover
,
M. S.
Schuurman
, and
T. J.
Martínez
,
J. Phys. Chem. A
116
,
2808
(
2012
).
67.
I.
Ohmine
,
J. Chem. Phys.
83
,
2348
(
1985
).
68.
H.
Tao
,
B. G.
Levine
, and
T. J.
Martínez
,
J. Phys. Chem. A
113
,
13656
(
2009
).
69.
M.
Ben-Nun
and
T. J.
Martínez
,
Chem. Phys. Lett.
298
,
57
(
1998
).
70.
B. G.
Levine
and
T. J.
Martínez
,
J. Phys. Chem. A
113
,
12815
(
2009
).
71.
R. L.
Martin
,
J. Chem. Phys.
118
,
4775
(
2003
).
72.
J.
MacNaughton
,
A.
Moewes
, and
E. Z.
Kurmaev
,
J. Phys. Chem. B
109
,
7749
(
2005
).
73.
W. L.
Jolly
,
K. D.
Bomben
, and
C. J.
Eyermann
,
At. Data Nucl. Data Tables
31
,
433
(
1984
).
74.
K.
Siegbahn
,
C.
Nordling
,
G.
Johansson
,
J.
Hedman
,
P. F.
Hedén
,
K.
Hamrin
,
U.
Gelius
,
T.
Bergmark
,
L. O.
Werme
,
R.
Manne
, and
Y.
Baer
,
ESCA Applied to Free Molecules
, Noviacta. Regia Societas Scientarum Upsaliensis (
North-Holland Publishing Company
,
1969
).
75.
V.
Myrseth
,
J. D.
Bozek
,
E.
Kukk
,
L. J.
Sæthre
, and
T. D.
Thomas
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
122
,
57
(
2002
).
76.
G.
Johansson
,
J.
Hedman
,
A.
Berndtsson
,
M.
Klasson
, and
R.
Nilsson
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
2
,
295
(
1973
).
77.
R.
McLaren
,
S. A. C.
Clark
,
I.
Ishii
, and
A. P.
Hitchcock
,
Phys. Rev. A
36
,
1683
(
1987
).
78.
A. P.
Hitchcock
,
S. G.
Urquhart
, and
E. G.
Rightor
,
J. Phys. Chem.
96
,
8736
(
1992
).
79.
I.
Ishii
,
R.
McLaren
,
A. P.
Hitchcock
, and
M. B.
Robin
,
J. Chem. Phys.
87
,
4344
(
1987
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.